Estudio del efecto de películas delgadas de ZrO2 en la difusión de Hidrógeno en aleaciones base circonio

MANSILLA, Y.; SERQUIS, A.; ARCE M.D.; BASBUS J.F.

2021-03-01/2021-04-01

Química

Energia-Otros

Descripción de la línea de trabajo: El ZrO2 presenta propiedades únicas que permiten su uso en un amplio rango de aplicaciones tanto como material estructural como funcional. Este óxido presenta tres polimorfos: a temperaturas menores a 1170 °C la fase estable es la monoclínica, entre 1170 y 2370 °C la fase estable es la tetragonal, y por encima de 2370 °C se obtiene la fase cúbica. Sin embargo, cuando el tamaño de las cristalitas alcanza la nanoescala es posible retener la fase tetragonal, que presenta mejores propiedades mecánicas, a menores temperaturas. En la industria nuclear, las aleaciones base circonio (Zr) se utilizan en componentes de reactores nucleares debido a su baja absorción neutrónica. Sin embargo, las propiedades mecánicas de estas aleaciones son susceptibles al daño por hidrógeno (H), ya que la formación de hidruros puede fragilizar al material. En este sentido, las películas delgadas de ZrO2 sobre aleaciones de Zr podrían actuar como recubrimiento protector, debido a que el H posee una baja difusión y solubilidad en el óxido. En nuestro laboratorio, las películas delgadas de ZrO2 son sintetizadas mediante el método sol-gel y depositadas por dip-coating. Las películas obtenidas tienen espesores entre 90 y 200 nm, son densas, uniformes y presentan buena adherencia al sustrato. Mediante difracción de rayos X, se estudió in-situ el proceso de cristalización, y pudimos determinar que estas películas están conformadas por una mezcla de las fases tetragonal y monoclínica. También se estudiaron sus propiedades eléctricas y su capacidad como recubrimiento anti-corrosivo sobre Zircaloy-4 en atmósfera de aire. El depósito de películas delgadas de ZrO2 sobre aleaciones de Zr podría funcionar como barrera al transporte de H hacia el metal, sin embargo esta propiedad es difícil de estudiar con técnicas de laboratorio, siendo las técnicas neutrónicas las más apropiadas para estudiar la difusión de H, lo que nos permitiría evaluar esta hipótesis. Aporte de las técnicas neutrónicasLa radiografía y tomografía de neutrones son técnicas no destructivas que consienten en la colección de imágenes mediante la detección de los neutrones monocromáticos que traspasan una muestra. Debido a su naturaleza no destructiva y penetración, estas técnicas permiten estudiar una amplia gama de materiales, desde bienes culturales hasta elementos combustibles nucleares, y son particularmente útiles para estudiar la difusión de H en aleaciones de circonio. En nuestro caso, las radiografías y tomografías de neutrones nos permitirían comprobar el efecto protector de una película delgada de ZrO2 sobre tubos de Zircaloy-4, siguiendo la difusión del H en el óxido y, eventualmente, en el metal.Para ello, una capa de hidruro se deposita por electrodeposición sobre muestras de Zircaloy-4 con y sin recubrimiento de ZrO2. Posteriormente, se realiza un tratamiento térmico para lograr la difusión del H hacia el metal. Las muestras deberán tener un tamaño del orden de 1,5 x 1,5 cm2 con un espesor de ~0,5 cm. Mediante las técnicas de imágenes de neutrones, se determinarán los perfiles de concentraciones de H en ambas muestras, a temperatura ambiente y en aire, con neutrones fríos (2 meV o 6.4 A aprox.) y con una resolución de ~25 µm. La comparación de los perfiles de difusión permitirá determinar si la capa depositada de ZrO2 actúa de barrera al transporte de H hacia el metal, y en qué medida ayuda a protegerlo contra la fragilización por H.