PERSONAL DE APOYO
DI LALLA Nicolas
congresos y reuniones científicas
Título:
DIFUSIÓN ULTRARRÁPIDA EN ALEACIONES DE BASE ZR: DIFUSIÓN DE CR Y CO EN BORDES DE GRANO DE ZIRCONIO-ALFA
Autor/es:
C. CORVALÁN; N. DI LALLA; M: IRIBARREN; F. DYMENT
Lugar:
Bs As
Reunión:
Encuentro; XXXIV Reunión Anual de la Asociación Argentina de Tecnología Nuclear (AATN); 2007
Resumen:
La difusión en estado sólido juega un rol decisivo en la mayoría de los procesos metalúrgicos, y por ende, la determinación de los valores de los coeficientes de difusión, parámetro que caracteriza dicho fenómeno, reviste gran importancia. En los materiales en general y en los metales en particular, la difusión se produce por la existencia de defectos. Estos pueden clasificarse primariamente como puntuales, lineales, bi y tridimensionales, existiendo formas experimentales que permiten diferenciar si la difusión se realiza a través de uno u otro tipo de defectos. Se determinan así los coeficientes de difusión en volumen, en bordes de grano o de interfase, en dislocaciones, en superficie.             Un borde de grano (BG) se define como la región de transición entre dos cristales adyacentes en un material monofásico, los que están en contacto y solo difieren en la orientación cristalográfica. Cuando la zona de transición entre dos granos ocurre entre dos fases de una aleación, se denomina borde de interfase (BI). En él, las regiones adyacentes difieren tanto en orientación cristalográfica como en composición. Tanto los BG como los BI no tienen entidad propia como defectos individuales, sino que existen sólo como la región de transición entre dos estructuras cristalinas, constituyendo una imperfección prácticamente bidimensional (5-10 Å de espesor). Son zonas altamente desordenadas si se comparan con las regiones cristalográficas contiguas, por lo que resulta natural que conformen un medio mucho más “abierto” para el movimiento atómico que las regiones adyacentes. Esto redunda en velocidades de migración varios órdenes de magnitud mayores que las correspondientes al volumen de las regiones adyacentes. Por este motivo, es frecuente referirse a este tipo de defectos como “caminos rápidos” o “corto-circuitos” para la difusión. Las aleaciones de base Zr, utilizadas fundamentalmente en la industria nuclear presentan una altísima densidad de bordes de grano e interfases, dependiendo de si se trata de Zircaloy o de Zr-2.5%Nb.             A temperaturas en las que la difusión en volumen puede considerarse prácticamente nula, una apreciable aunque localizada cantidad de material puede estar desplazándose a lo largo de los “caminos rápidos”. Esto implica que no sólo la difusión en sí misma, sino todos los fenómenos a ella asociados presentan en los bordes de grano e interfases una importante aceleración. Entre ellos, podemos mencionar: deformación plástica, corrosión a alta temperatura, estabilidad de precipitados en una matriz, sinterizado, tratamientos superficiales, transformaciones en estado sólido en general, etc.             La determinación experimental de los coeficientes de difusión en BG y BI es similar a la correspondiente al volumen, diferenciándose en la relación entre la concentración del material difundente y la penetración, siendo esta relación aproximadamente lineal y no parabólica. Distintos modelos, con diferente grado de sofisticación son evaluados para su mejor aproximación al tema.             En este trabajo se presentan resultados de la difusión de Cr en los BG de Zr-a puro, en el rango de temperaturas [380-680]K, siendo los correspondientes al caso de la cinética C los primeros en este tipo de material. En el caso del Co, el rango estudiado corresponde a [430-633]. Se emplearon, para ambos trazadores métodos convencionales de seccionamiento con el uso de radiotrazadores (51Cr y 60Co), que son los que brindan al presente los resultados más confiables. Éstos consisten en seccionar capas paralelas del material afectado por la difusión y analizar el espesor recolectado obteniendo la actividad específica del elemento difundente. Ésta es directamente proporcional a la concentración por lo que se accede directamente al coeficiente de difusión a una determinada temperatura.             Los resultados indican que tanto el Cr como el Co se manifiestan como difusores rápidos en estos cortocircuitos, siguiendo el comportamiento observado en el volumen. La comparación entre las cinéticas B y C permite obtener una evaluación directa del factor de segregación del Cr y el Co en los BG, además del coeficiente de difusión propiamente dicho. La segregación se manifiesta como sumamente importante para el Co, con una fuerte dependencia con la temperatura; pudiendo calcularse la entalpía de segregación respectiva. Se efectúan comparaciones con otros elementos (Ni, Fe y autodifusión) en esos mismos bordes de grano, como asimismo en las interfases a/b de la aleación Zr-2.5%Nb, a fin de completar un cuerpo de datos experimentales correspondientes a la difusión ultrarrápida de estos elementos en aleaciones de interés nuclear. En este aspecto, el grupo Difusión de la Unidad de Actividad de Materiales de la CNEA ha trabajado intensamente en los últimos 25 años en el tema de la difusión por caminos rápidos centrándose en los difusores normalmente presentes en las aleaciones de uso nuclear como acercándose permanentemente a los rangos de temperatura compatibles con el interés tecnológico, no siempre accesibles a las técnicas usuales.             Un análisis detallado de los resultados permite inferir distancias típicas de difusión a lo largo de los bordes de grano e interfase en Zr-α y Zr-2.5%Nb muy distintos a los que surgen de la simple expresión de camino cuadrático medio que utiliza necesariamente valores de difusividades en volumen. Asimismo, de la combinación adecuada de los coeficientes de difusión en volumen y en borde de grano, se calculan coeficientes efectivos de difusión, los cuales permiten  una evaluación de mayor aplicación práctica que refleje el movimiento promedio de las impurezas  a temperaturas de trabajo de reactores de potencia;  estos coeficientes efectivos podrían ser utilizados en códigos numéricos  para la modelización de propiedades importantes.