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Tesis

Estudios cinéticos y termodinámicos en el sistema Zr-Fe

2016



Tesista Andrés Hernán LUCIA
Licenciado en Higiene y Seguridad - Universidad Nacional de Tres de Febrero - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM - Argentina
Directores Dra. Carolina CORVALÁN.  CNEA, UNTREF, CONICET - Argentina
Dr. Manuel IRIBARREN.  CNEA, UNSAM - Argentina .
Lugar de realizaciónDivisión Difusión - Departamento Transformaciones y Propiedades - Gerencia Materiales - CAC - CNEA - Argentina
Fecha Defensa 08/03/2016
Jurado Dra. Evangelina DE LAS HERAS. CNEA - Argentina
Dr. Nicolás NIEVA. UNT - Argentina
Dr. Eduardo VICENTE. CNEA, UNSAM - Argentina
Código IS/T 166/16

Resumen

Las aleaciones de base Zr tienen una importante aplicación en la industria nuclear. Entre ellas las denominadas Zircaloy (aleaciones de base Zr, con Sn y Fe como principales aleantes) y las de base Zr-Nb. Nuevos prototipos de reactores nucleares que funcionan a mayores temperaturas, presiones y en general exigencias superiores están siendo desarrollados y puestos en servicio en algunos casos. Ante este nuevo escenario se desarrollan nuevas aleaciones que, a mayores temperaturas y condiciones más severas, puedan mostrar las buenas propiedades mecánicas y de corrosión del Zircaloy y Zr-Nb en general. Es importante por esto alcanzar el conocimiento más completo posible de los diferentes sistemas metálicos binarios y ternarios componentes de los sistemas multialeados base Zr. Particularmente en relación a los posibles aleantes minoritarios (ej. Sn, Cr, Nb), la compresión de sus efectos termodinámicos podría conducir a la optimización de las propiedades.
El estudio de transformaciones de fase asociadas a procesos difusivos requiere de la adecuada compresión tanto de fenómenos termodinámicos como cinéticos del sistema.
El sistema Zr-Fe constituye una plataforma de estudio del comportamiento de diferentes elementos de un reactor de potencia que utilice, potencialmente, alguna de las aleaciones en actual desarrollo. La difusividad del Fe en el Zr puro y en las distintas fases de aleaciones de base Zr se ha revelado como extraordinariamente alta. En particular, la baja solubilidad en la fase alfa-Zr ha imposibilitado una medición confiable de sus velocidades de difusión tanto en el volumen como a lo largo de los bordes de grano. En el presente trabajo se estudia por una parte la difusión del Fe en volumen y por caminos rápidos en la fase alfa del Zr-HCP y por otra parte, como investigación complementaria, un aporte al diagrama de fases del mismo sistema evaluando la existencia de la fase Fe23Zr6. Se prioriza el aspecto difusivo preparando ocho pares de difusión Fe/Zr para lograr distintas cinéticas de difusión. Adicionalmente se diseñaron dos aleaciones binarias que luego fueron sometidas a tratamientos térmicos a fin de alcanzar un equilibrio de fases. Las muestras se caracterizaron por técnicas metalográficas, difracción de rayos X y mediciones LIBS. Se utilizaron los datos obtenidos experimentalmente para evaluar y modificar bases de datos termodinámicas y cinéticas utilizando el programa ThermoCalc y DICTRA, logrando comparar resultados numéricos y experimentales.

Complete Title

Thermodynamic and kinetic studies in the Fe-Zr system

Abstract

Zr based alloys have major applications in nuclear industry. Among them, those known as Zircaloy (Zr based alloys with Sn and Fe as main allowing elements) and those based in Zr-Nb. New prototypes of nuclear reactors working at higher temperature, pressure and general higher demands are being developed and put into operation in some cases. In this recent scenario new alloys are being developed, which can show those same good mechanical and corrosion properties as Zircaloy and Zr-Nb, but at higher temperature and more severe conditions. It´s then important to reach the fullest possible knowledge of the different binary and ternary metallic systems which later form Zr-base multialloys. Particularly with regard to potential minority alloys compounds (Sn, Cr, Nb), the understanding of their thermodynamic effect might lead to properties optimization.
The study of phase transformation associated to diffusive processes requires proper understanding of both thermodynamic and kinetic phenomena of the system.
Zr-Fe system constitutes a study platform for the behavior of different elements that nuclear power reactors uses, that might apply some of the alloys in current development. Fe diffusivity in pure Zr and in the different phases of Zr-based alloys has unveiled as extremely high. In particular, low solubility in alfa-Zr phase has prevented a dependable measurement of its diffusion speed both in volume and in grain boundary. The present work study both volume and grain boundary diffusion of Fe in alfa phase for Zr-HCP. As a complementary research, we study the phase diagram evaluating the existence of the Fe23Zr6 phase. Diffusive aspect is prioritized by preparing eight Zr-Fe diffusion pairs to get different diffusion kinetics. Additionally two binary alloys were designed which later underwent thermal treatments in order to reach phase equilibrium. Samples had been characterized by metallographic techniques, x-ray diffraction and LIBS measurements. Obtained experimental data was used to evaluate and modify parameters for both kinetic and thermodynamic database using ThermoCalc and DICTRA software, in order to compare numeric and experimental results.

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