Desarrollo de nuevos aceros ferríticos ODS para aplicaciones nucleares

• Autores: Nerea García Rodríguez
• Directores de la Tesis: José Manuel Torralba Castelló (dir. tes.), Mónica Campos Gómez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2014
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Elena Gordo Odériz (presid.), Marta Serrano García (secret.)
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  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • El daño por irradiación que experimentan los metales utilizados en aplicaciones nucleares se traduce en modificaciones microestructurales que implican cambios drásticos en sus propiedades fruto de las colisiones entre partículas. La fragilización, el hinchamiento y la activación radioactiva son las consecuencias principales del bombardeo de neutrones. Los neutrones y los núcleos de los átomos de la red interaccionan provocando desde desplazamientos de los átomos de su posición de equilibrio, a defectos, creación de huecos, incluso redistribución de elementos de aleación o hasta la fragilización por He/H. Las colisiones pueden dar lugar a productos de transmutación y a la aparición de estos elementos en la estructura. Estos fenómenos conducirán además al hinchamiento del metal. Todo esto además tiene asociado un aumento en la temperatura de transformación dúctil-frágil que condicionará el comportamiento del material a temperaturas superiores a la ambiente. Los aceros ferríticos ODS son unos extraordinarios candidatos para ser utilizados en algunos diseños de reactores nucleares Gen-IV y reactores suscriticos ADS debido a las buenas propiedades mecánicas que exhiben a altas temperaturas y bajo irradiación. Al tratarse de aceros ferríticos, estos materiales tienen una alta resistencia al hinchamiento debido a que su estructura cristalina BCC, lo que les hace equiparable en este sentido a los aceros ferríticos-martensíticos. La dispersión de nano óxidos les confiere una mejor resistencia a fluencia a altas temperaturas y una buena resistencia a la irradiación y a la fragilización. Además, ajustando su concentración de Cr se puede también mejorar las propiedades frente a la corrosión, ya que suelen estar expuestos en ambientes muy agresivos a altas temperaturas. Aun así, para asegurar que los aceros ferríticos ODS llegan a alcanzar las propiedades mecánicas necesarias para su uso en aplicaciones nucleares hay que asegurar una matriz ferrítica de tamaño nanométrico o ultrafino en la que se haya favorecido una elevada densidad de nano-precipitados. En este trabajo se propone el desarrollo de aceros ferritícos ODS añadiendo elementos de aleación que, junto con las técnicas de procesamiento empleadas, proporcionen la microestructura más adecuada para que estos aceros tengan las propiedades mecánicas apropiadas para ser utilizados en aplicaciones nucleares. La introducción de Y ?O ?, Ti y Al junto con la utilización de la molienda de alta energía como técnica de aleación, permite la formación de nano-óxidos que van a limitar el movimiento de las dislocaciones endureciendo así el material. Además, la molienda de alta energía debidamente optimizada produce la formación de polvos nanoestructurados. Cada uno de los elementos elegidos en el diseño de la aleación, tiene un rol determinado. La cantidad de Cr y W que tienen estos aceros además de estabilizar la fase ?, produce endurecimiento por solución solida y consigue una aumento en la resistencia a la oxidación. Además el uso de W en materiales para aplicaciones nucleares reduce la activación por irradiación y la fragilización por He. El Al además de poder formar nano-óxidos, tiene la posibilidad de formar una capa de Al ?O ? en la superficie mejorando también la resistencia a la oxidación. Finalmente la adición de Ti puede formar también nano-óxidos complejos Ti-Y más beneficiosos que la propia itria desde el punto de vista de la reducción del parámetro de red y del efecto de la energía superficial en la partícula precipitada. El uso de técnicas de consolidación novedosas como el SPS (Spark Plasma Sintering) permiten obtener materiales densos además de mantener la nanoestructura producida durante la molienda de alta energía, debido a que utiliza tiempos de sinterización extraordinariamente cortos, limitando mucho los procesos difusivos. Para comparar, se ha realizado también la consolidación por HIP (Hot Isostatic Pressing) que es un método más convencional para consolidar aceros ODS. Permite también la producción de materiales densos aunque promueven más los procesos difusivos por la aplicación de presión y temperatura simultáneamente y durante un mayor tiempo. A través de técnicas de caracterización microestructural y la evaluación de las propiedades mecánicas, se ha podido comprobar que se ha producido una dispersión de nano-óxidos en todas las muestras consolidadas, que junto con otros mecanismos, han conseguido endurecer la el acero ferrítico del que se partía inicialmente. Esta tesis doctoral abarca todo el proceso de diseño de un nuevo material, desde la elección de los elementos de aleación y fabricación del polvo mediante aleación mecánica hasta la sinterización de los mismos para evaluar y validar posteriormente los materiales sinterizados.