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Caracterización nanoestructural de aceros avanzados para reactores de fusión

Investigadores del grupo de Materiales Nanoestructurados y Multifuncionales de la Universidad Carlos III de Madrid pertenecientes al consorcio ESTRUMAT aplican nuevas técnicas para el estudio de materiales susceptibles de ser utilizados en los futuros reactores de fusión.


FUENTE | ESTRUMAT - mi+d
10/12/2012
 
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Mediante medidas de difracción de neutrones a pequeños ángulos (SANS) realizadas en el centro JCNS (Jülich Centre for Neutron Science) de Garching-Munich (Alemania), se ha determinado la distribución de tamaños y morfología de los precipitados presentes en aleaciones de aceros ferrrítico-martensíticos reforzados y no reforzados.

En el diseño de un reactor de fusión, los materiales estructurales juegan un papel fundamental. En los programas de tecnología de fusión desarrollados en los últimos años, uno de los objetivos prioritarios ha sido encontrar nuevos materiales que, además de soportar las condiciones de trabajo de un reactor de fusión, sean de baja activación, de forma que la nueva fuente de energía de fusión sea limpia y respetuosa con el medio ambiente.

Figura 1
Figura 1

Los aceros ferrítico-martensíticos Cr/Mo/V/Nb presentan buen comportamiento mecánico hasta temperaturas cercanas a 500 °C. Tomando como base estos aceros, se obtienen composiciones de activación reducida al sustituir el Mo, Ni y Nb por W, V, Ta o Ti. Sin embargo, el límite de temperatura de trabajo de estos aceros es demasiado bajo para cumplir las especificaciones de un reactor de fusión, por lo que es necesario aumentarlo hasta aproximadamente 700 °C. Uno de los métodos utilizados para incrementar la temperatura de trabajo es la dispersión de partículas duras de tamaño nanométrico, como por ejemplo itria (Y2O3). Esta dispersión puede conseguirse mediante técnicas de metalurgia de polvos. En los últimos cinco años, se ha logrado optimizar en el laboratorio LMNM del Dpto. de Física de la UC3M una vía pulvimetalúrgica para la producción de estos aceros reforzados, que consiste en la mezcla y aleado mecánico de los polvos de los elementos que forman la aleación, seguido de la posterior compactación y sinterización mediante la técnica de Presión Isostática a Alta Temperatura (HIP, Hot Isostatic Pressing). Esta técnica permite una dispersión homogénea de las partículas duras de itria en el acero.

Existen diferentes técnicas que permiten caracterizar la distribución, tamaño y morfología de los precipitados y partículas nanométricas presentes en materiales reforzados. Tradicionalmente, la técnica más utilizada es la Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). Sin embargo, una de sus limitaciones es que únicamente se obtiene información de una zona muy pequeña de la muestra. Las técnicas de difracción a pequeños ángulos también pueden proporcionar información sobre la distribución de tamaños, morfología y forma de los precipitados en la matriz. Si además, el haz utilizado está constituido por neutrones, la aplicación de esta técnica de difracción (SANS) permite obtener información de todo el volumen de la muestra, lo que supone una gran ventaja.

Figura 2
Figura 2

Las medidas de difracción de neutrones a pequeños ángulos se realizaron en el difractómetro KWSII del centro JCNS en Garching-Munich (Alemania). El JCNS cuenta con un reactor nuclear en el que se producen los haces de neutrones y al que pueden acceder, dentro del marco de acuerdo de la UE, investigadores de los diferentes países de la UE. Las medidas se realizaron sobre diferentes muestras de Fe-12Cr, ODS Fe-12Cr, Fe-14Cr and ODS Fe-14Cr que previamente habían sido sometidas a diferentes tratamientos termomecánicos. La imagen obtenida mediante TEM (figura 1) muestra la presencia de una dispersión de partículas nanométricas de itria en una matriz de Fe-12Cr. Los resultados de los experimentos de SANS (figura 2) permiten comparar la sección eficaz de dispersión de los neutrones en este acero y en el Fe12Cr de referencia, mostrando las diferencias debidas a la presencia de centros de dispersión de distinta naturaleza y tamaño. El análisis de estas curvas permite obtener la distribución de tamaños y naturaleza de los precipitados y partículas nanométricas presentes en la matriz, estableciendo el efecto de los diferentes tratamientos térmicos sobre los materiales.

La imagen obtenida mediante TEM de un acero ODS Fe-12Cr muestra la presencia de una fina dispersión de partículas de refuerzo. La distribución de tamaños y naturaleza de las partículas se pueden obtener del análisis de las secciones eficaces de dispersión de neutrones medidas mediante SANS.





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