Efecto de la adición de itria sobre la microestructura y comportamiento mecánico de aleaciones ferríticas ODS fabricadas por molienda de alta energía (HEM) y sinterización por arco eléctrico (SPS)

Autores/as

DOI:

https://doi.org/10.3989/revmetalm.236

Palabras clave:

Corrosión, Polvo, Sinterización

Resumen


Las aleaciones ferríticas reforzadas con dispersión de óxido (ODS) son materiales estructurales utilizados en reactores de fusión nuclear, que exhiben propiedades mecánicas mejoradas, así como resistencia a la corrosión y a la irradiación. En el presente trabajo, se prepararon aleaciones ferríticas ODS con composición Fe-14Cr-1.5W-0.4Ti-(0; 0,4; 0,8) Y2O3 (en % en masa), empleando Molienda de Alta Energía (MAE) seguida de Sinterización por Plasma de Chispa (SPC). La distribución de tamaños de partículas (DTP) de los polvos mezclados y molidos se determinó utilizando difracción láser. Estos polvos y los materiales sinterizados se caracterizaron mediante difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (MEB). Los materiales sinterizados también se caracterizaron utilizando dilatometría, compresión diametral, microdureza Vickers y test de corrosión. Los mayores valores del módulo de Young, microdureza y contracción/expansión dimensional fueron obtenidos para la aleación 0,8 wt.% Y2O3. Sin embargo, esta aleación fue la menos dúctil. Además, la aleación 0,8 wt.% Y2O3 fue la que presentó el menor cambio dimensional. De acuerdo con los estudios de polarización potenciodinámica realizados, se encontró que la capa protectora de Cr2O3 formada sobre la superficie de las tres aleaciones estudiadas fue menos efectiva para la aleación libre de itria, ya que en este caso la ruptura de dicha capa protectora se produjo antes que para el caso de las aleaciones que contienen itria. Con base en estos resultados, se sugiere que la aleación 0,8 wt.% Y2O3 con microestructura fina podría constituir una alternativa potencial como material estructural para reactores del tipo Gen IV.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Citas

Abenojar, J., Velasco, F., Martínez, M.A. (2006). Manufacturing of Porous Boron Steels Potentially Useful as Nuclear Materials. J. Nucl. Sci. Technol. 43 (8), 866-873. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/18811248.2006.9711171. https://doi.org/10.1080/18811248.2006.9711171

Ahmadi, H., Nouri, M. (2010). Beneficial effects of yttrium on mechanical failure and chemical stability of the passive film in 6061 aluminum alloy. J. Mater. Sci. 45 (13), 3426-3432. https://doi.org/10.1007/s10853-010-4368-9

Auger, M.A., De Castro, V., Leguey, T., Muñoz, A., Pareja, R. (2013). Microstructure and mechanical behavior of ODS and non-ODS Fe-14Cr model alloys produced by spark plasma sintering. J. Nucl. Mater. 436 (1-3), 68-75. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.01.331

Buchanan, R.A., Stansbury, E.E. (2012). 4 - Electrochemical Corrosion. In Handbook of Environmental Degradation of Materials. Second Edition, William Andrew Publishing, pp. 87-125. https://doi.org/10.1016/B978-1-4377-3455-3.00004-3

Cayron, C., Rath, E., Chu, I., Launois, S. (2004). Microstructural evolution of Y2O3 and MgAl2O4 ODS EUROFER steels during their elaboration by mechanical milling and hot isostatic pressing. J. Nucl. Mater. 335 (1), 83-102. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.06.010

Chang-Zhen, W., Shu-Qhing, Y., Xin, Z. (1985). A Study On Thermodynamic Properties Of Y2O3·Cr2O3 Compound. Acta Phys. Sin. 34 (8), 1017-1026. https://doi.org/10.7498/aps.34.1017

Dash, M.K., Mythili, R., Ravi, R., Sakthivel, T., Dasgupta, A., Soroja, S., Bakshi, S.R. (2018). Microstructure and mechanical properties of oxide dispersion strengthened 18Cr-ferritic steel consolidated by spark plasma sintering. Mater. Sci. Eng. A 736, 137-147. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.08.093

Dharmalingam, G., Mariappan, R., Arun Prasad, M. (2018). Microstructure and Mechanical Properties of Hot Pressed 16.5CR Ferritic ODS Steel Developed Through Mechanical Alloying. IJMPERD 8 (2), 699-708. https://doi.org/10.24247/ijmperdapr201882

Fu, J., Brouwer, J.C., Richardson, I.M., Hermans, M.J.M. (2019). Effect of mechanical alloying and spark plasma sintering on the microstructure and mechanical properties of ODS Eurofer. Mater. Des. 177, 107849. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107849

Gao, R., Zhang, T., Wang, X.P., Fang, Q.F., Liu, C.S. (2014). Effect of zirconium addition on the microstructure and mechanical properties of ODS ferritic steels containing aluminum. J. Nucl. Mater. 444 (1-3), 462-468. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.10.038

Grimes, R.W., Konings, R.J.M., Edwards, L. (2008). Greater tolerance for nuclear materials. Nat. Mater. 7 (9), 683-685. https://doi.org/10.1038/nmat2266 PMid:18719698

Hilger, I., Bergner, F., Weißgärber, T. (2015). Bimodal Grain Size Distribution of Nanostructured Ferritic ODS Fe-Cr Alloys. In Sintering 2014. Wiley Subscription Services, Inc., 98 (11), pp. 3576-3581. https://doi.org/10.1111/jace.13833

Hilger, I., Boulnat, X., Hoffmann, J., Testani, C., Bergner, F., De Carlan, Y., Ferraro, F., Ulbricht, A. (2016). Fabrication and characterization of oxide dispersion strengthened (ODS) 14Cr steels consolidated by means of hot isostatic pressing, hot extrusion and spark plasma sintering. J. Nucl. Mater. 472, 206-214. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.09.036

Karak, S.K., Dutta Majumdar, J., Lojkowski, W., Michalski, A., Ciupinski, L., Kurzydlowski, K.J., Manna, I. (2012). Microstructure and mechanical properties of nano-Y2O3 dispersed ferritic steel synthesized by mechanical alloying and consolidated by pulse plasma sintering. Philos. Mag. 92 (5), 516-534. https://doi.org/10.1080/14786435.2011.619508

Kumar, D., Prakash, U., Dabhade, V.V., Laha, K., Sakthivel, T. (2017). High yttria ferritic ODS steels through powder forging. J. Nucl. Mater. 488, 75-82. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.12.043

Kumar, D., Prakash, U., Dabhade, V.V., Laha, K., Sakthivel, T. (2018). Influence of Yttria on Oxide Dispersion Strengthened (ODS) Ferritic Steel. Mater. Today: Proc. 5 (2, Part 1), 3909-3913. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.11.646

Mihalache, V., Mercioniu, I., Velea, A., Palade, P. (2019). Effect of the process control agent in the ball-milled powders and SPS-consolidation temperature on the grain refinement, density and Vickers hardness of Fe14Cr ODS ferritic alloys. Powder Technol. 347, 103-113. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.02.006

Ningshen, S., Sakairi, M., Suzuki, K., Ukai, S. (2014). The corrosion resistance and passive film compositions of 12% Cr and 15% Cr oxide dispersion strengthened steels in nitric acid media. Corros. Sci. 78, 322-334. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2013.10.015

Noh, S., Choi, B.K., Kang, S.H., Kim, T. (2014). Influence of mechanical alloying atmospheres on the microstructures and mechanical properties of 15Cr ODS steels. Nucl. Eng. Technol. 46 (6), 857-862. https://doi.org/10.5516/NET.07.2013.096

Oksiuta, Z., Olier, P., De Carlan, Y., Baluc, N. (2009). Development and characterisation of a new ODS ferritic steel for fusion reactor application. J. Nucl. Mater. 393 (1), 114-119. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2009.05.013

Park, J.J., Hong, S.M., Park, E.K., Lee, M.K., Rhee, C.K. (2012). Synthesis of Fe based ODS alloys by a very high speed planetary milling process. J. Nucl. Mater. 428 (1-3), 35-39. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2011.12.027

Perera, F. (2017). Pollution from fossil-Fuel combustion is the leading environmental threat to global pediatric health and equity: Solutions Exist. Int. J. Environ. Res. Public Health 15 (1), p. 16. https://doi.org/10.3390/ijerph15010016 PMid:29295510 PMCid:PMC5800116

Rajan, K., Sarma, V.S., Kutty, T.R.G., Murty, B.S. (2012). Hot hardness behaviour of ultrafine grained ferritic oxide dispersion strengthened alloys prepared by mechanical alloying and spark plasma sintering. Mater. Sci. Eng. A 558, 492-496. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.08.033

Rajan, K., Shanmugasundaram, T., Subramanya Sarma, V. Murty, B.S. (2013). Effect of Y2O3 on Spark Plasma Sintering Kinetics of Nanocrystalline 9Cr-1Mo Ferritic Oxide Dispersion-Strengthened Steels. Metall. Mater. Trans. A 44 (9), 4037-4041. https://doi.org/10.1007/s11661-013-1845-1

Ramanujam, A. (2001). Purex and Thorex Processes (Aqueous Reprocessing). In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Second Edition, Buschow, K.H.J., Cahn, R.W., Flemings, M.C., Ilschner, B., Kramer, E.J., Mahajan, S., Veyssière, T. (Ed.), Elsevier, pp. 7918-7924. https://doi.org/10.1016/B0-08-043152-6/01426-1

Sánchez-Gutiérrez, J., Chao, J., Vivas, J., Galvez, F., Capdevila, C. (2017). Influence of texture on impact toughness of ferritic Fe-20Cr-5Al oxide dispersion strengthened steel. Materials 10 (7), 745. https://doi.org/10.3390/ma10070745 PMid:28773104 PMCid:PMC5551788

Sun, Q.X., Zhang, T., Wang, X.P., Fang, Q.F., Hao, T., Liu, C.S. (2012). Microstructure and mechanical properties of oxide dispersion strengthened ferritic steel prepared by a novel route. J. Nucl. Mater. 424 (1-3), 279-284. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2011.12.020

Torralba, J.M., Fuentes-Pacheco, L., García-Rodríguez, N., Campos, M. (2013). Development of high performance powder metallurgy steels by high-energy milling. Adv. Powder Technol. 24 (5), 813-817. https://doi.org/10.1016/j.apt.2012.11.015

Verhiest, K., Al Mazouzi, A., De Wispelaere, N., Petrov, R., Claessens, S. (2009). Development of oxides dispersion strengthened steels for high temperature nuclear reactor applications. J. Nucl. Mater. 385 (2), 308-311. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.12.006

Yamamoto, M., Ukai, S., Hayashi, S., Kaito, T., Ohtsuka, S. (2010). Formation of residual ferrite in 9Cr-ODS ferritic steels. Mater. Sci. Eng. A 527 (16-17), 4418-4423. https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.03.079

Yaskiv, O.I., Fedirko, V.M (2014). Oxidation/Corrosion Behaviour of ODS Ferritic/Martensitic Steels in Pb Melt at Elevated Temperature. Int. J. Nucl. Energy ID 657689, 1-8. https://doi.org/10.1155/2014/657689

Zhang, H., Huang, Y., Ning, H., Williams, C.A., London, A.J., Dawson, K., Hong, Z., Gorley, M.J., Grovenor, R.M., Tatlock, G.J., Roberts, S.G., Reece, M.J., Yan, H., Grant, P.S. (2015). Processing and microstructure characterisation of oxide dispersion strengthened Fe-14Cr-0.4Ti-0.25Y2O3 ferritic steels fabricated by spark plasma sintering. J. Nucl. Mater. 464, 61-68. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.04.029

Zhou, X., Liu, Y., Qiao, Z., Guo, Q., Liu, Ch., Yu, L., Li, H. (2017). Effects of cooling rates on δ-ferrite/γ-austenite formation and martensitic transformation in modified ferritic heat resistant steel. Fusion Eng. Des. 125, 354-360. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2017.05.095

Zinkle, S.J., Busby, J.T. (2009). Structural materials for fission & fusion energy. Materials Today 12 (11), 12-19. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(09)70294-9

Zinkle, S.J., Boutard, J.L., Hoelzer, D.T., Kimura, A., Lindau, R., Odette, G.R., Rieth, M., Tan, L., Tanigawa, H. (2017). Development of next generation tempered and ODS reduced activation ferritic/martensitic steels for fusion energy applications. Nuclear Fusion 57 (9), 092005. https://doi.org/10.1088/1741-4326/57/9/092005

Publicado

2023-04-27

Cómo citar

Salazar-Román, A. R., López-Cuevas, J. ., Arganis-Juárez, C. R., Méndez-García, J. C. ., & Rendón-Angeles, J. C. . (2023). Efecto de la adición de itria sobre la microestructura y comportamiento mecánico de aleaciones ferríticas ODS fabricadas por molienda de alta energía (HEM) y sinterización por arco eléctrico (SPS). Revista De Metalurgia, 59(1), e236. https://doi.org/10.3989/revmetalm.236

Número

Sección

Artículos

Datos de los fondos