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Elucidando o mecanismo das camadas protetoras em reatores de fusão que resistem ao descascamento

Instituto de Tecnologia de Tóquio

imagem: (a) Imagem de microscópio eletrônico de transmissão de varredura; (b) Imagem de mapeamento elementar de raios X dispersivos de energia (EDX) de alumínio e oxigênio; (c) Imagem de mapeamento elementar de titânio, ítrio e zircônio por análise EDXVeja mais

Crédito: Professor Associado Masatoshi Kondo

Os reactores de fusão, os reactores de regeneração rápida e as centrais de energia solar térmica estão a ser desenvolvidos como centrais eléctricas com baixo impacto ambiental e sem restrições de recursos. Como essas usinas operam em altas temperaturas com grande transferência de calor, os cientistas estão estudando o uso de componentes que utilizam metal líquido (tem excelente desempenho de transferência de calor) como refrigerante. A manta de metal líquido (uma parede metálica instalada no núcleo) e o divertor de metal líquido (recebe o calor e descarrega a exaustão) estão entre os componentes mais importantes dos reatores de fusão e têm chamado a atenção como dispositivos inovadores de conversão de energia. No entanto, a seleção de materiais estruturais que sejam quimicamente compatíveis com metais líquidos de alta temperatura tem sido um desafio.

O professor associado Masatoshi Kondo, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, pegou refrigerantes de metal líquido e conduziu pesquisas sobre sua resistência à corrosão química com materiais estruturais líderes. Ele descobriu que a causa da corrosão é a lixiviação de componentes metálicos de materiais em contato com metal líquido e a liga de metal líquido e materiais de aço. Nesse contexto, ele descobriu que a corrosão pode ser significativamente reduzida pela formação de uma camada protetora compacta de óxido na superfície dos materiais estruturais dos componentes de metal líquido. A formação de uma camada protetora de óxido estável que inibe essa corrosão é fundamental para tornar realidade os componentes à base de metal líquido.

A equipe de pesquisa conjunta, liderada pelo Professor Associado Kondo, em colaboração com a Universidade Nacional de Yokohama e o Instituto Nacional de Ciência da Fusão, concentrou-se no fato de que as ligas de FeCrAl reforçadas com dispersão de óxido (ODS) formam uma camada de α-Al2O3 (alfa alumina) que consiste em um estrutura compacta e identificou fatores que podem promover o crescimento da camada e o mecanismo que faz com que a camada resista ao desprendimento do substrato.

A camada α-Al2O3 oferece excelente proteção em ambientes de metal líquido de alta temperatura. A liga ODS Fe15Cr7Al ​​tem excelente resistência a altas temperaturas e é um material estrutural com forte potencial para usinas de energia de próxima geração. A liga pode ser oxidada a 1000°C ao ar por 10 horas para formar uma camada de α-Al2O3. A Figura 1 mostra a imagem microscópica em corte transversal da camada α-Al2O3 formada na liga ODS Fe15Cr7Al ​​e a distribuição de seus elementos constituintes. Embora tenha apenas 1,28 micrômetros de espessura, cerca de 1/80 da espessura de um fio de cabelo humano, possui uma estrutura extremamente compacta com distribuição uniforme de alumínio e oxigênio, conforme mostrado na Figura 1(b). Ao mesmo tempo, a equipe descobriu que óxidos de elementos reativos como Ti, Y e Zr foram formados na camada α-Al2O3, conforme mostrado na Figura 1 (c). Isso ocorre porque os elementos reativos que a liga ODS Fe15Cr7Al ​​mantém dispersos à medida que pequenas partículas de óxido em sua microestrutura migraram para a camada para formar óxidos. A comparação da microestrutura e da taxa de crescimento da camada de óxido formada por diversos tipos de ligas de FeCrAl mostra que ligas sem elementos reativos não formam esses óxidos na camada, e seu crescimento de camada é lento. Esses óxidos alongados de elementos reativos atuam como "caminho de difusão somente de oxigênio" que promove o crescimento da camada e melhora as propriedades de barreira (Figura 2).

A camada protetora deve ser resistente à esfoliação. Neste estudo, a equipe realizou um teste de risco na camada α-Al2O3 formada na liga ODS-FeCrAl para medir a magnitude da força necessária para riscar e descascar a camada com uma agulha afiada. Os resultados mostram que a liga ODS-FeCrAl possui excelentes propriedades de adesão. O mecanismo pelo qual a camada α-Al2O3 se torna resistente à esfoliação está resumido na Figura 2. Primeiro, os óxidos de elementos reativos formados do substrato em direção à camada agarram firmemente a microestrutura da camada, como estacas usadas para fixar uma barraca, e contribuir para a melhoria da força de adesão. Isso é chamado de efeito de fixação.