ETAPA I 2014
MATERIALE METALICE AVANSATE PENTRU NOILE GENERAȚII DE CENTRALE NUCLEARE, 4R – NUCLEARMAT – PCCA 243/2014 –
UEFISCDI - UPB
ETAPA I - 2014. STUDII ȘI CERCETĂRI PRIVIND CLASE DE ALIAJE METALICE DESTINATE REACTOARELOR NUCLEARE DIN
GENERAŢIA 4R
REZUMAT
https://nuclearmat2014.webnode.ro
DECEMBRIE 2014
MATERIALE METALICE AVANSATE PENTRU NOILE GENERAȚII DE CENTRALE NUCLEARE, 4R – NUCLEARMAT – PCCA 243/2014 – UEFISCDI - UPB
ETAPA I - 2014. STUDII ȘI CERCETĂRI PRIVIND CLASE DE ALIAJE METALICE DESTINATE REACTOARELOR NUCLEARE DIN
GENERAŢIA 4R
REZUMAT
Activitatea I.1. Studii și cercetari privind materiale metalice utilizate pentru centrale nucleare
Activitatea I.2. Studii privind solicitarea materialelor metalice in medii de metale lichide si in camp intens de radiatii gamma
Activitatea I.3. Modelarea matematica a transferului energetic laser-metal
Activitatea I.4. Cercetari privind procesele de prelucrare superficiala cu laser a materialelor metalice
Activitatea I.5. Proiectarea preliminară a unor tipuri reprezentative de aliaje metalice din familia FeCrAl pentru obținerea in instalatia RAV
Autori:
UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREŞTI
SC OPTOELECTRONICA 2001 SA
INSTITUTULUI NAŢIONAL DE C&D PENTRU FIZICĂ ŞI INGINERIE NUCLEARĂ HORIA HULUBEI (IFIN HH )
S.C. UPSPILOT ARM S.R.L. BUCUREŞTI
METAV-CD BUCUREȘTI
DECEMBRIE 2014
Director proiect – Prof. Dr. Ing. Victor GEANTĂ
Activitatea I.1. Studii și cercetari privind materiale metalice utilizate pentru centrale nucleare
In cadrul centralelor nucleare de generaţie 4R, mediul de răcire lichid pentru reactorul nuclear va fi realizat din metale cu punct de topire scăzut, precum Pb, Sn sau PbBi. Astfel de medii de răcire asigura un regim de răcire controlat si eficient, putând fi cu uşurinţa optimizat in funcţie de valorile parametrilor operaţionali ai reactorului. Obiectivele noilor tipuri de centrale nucleare (NGNP) vizează obţinerea de sisteme performante si sigure făra prezenta in mediul de răcire al hidrogenului, care este cunoscut pentru efectele dezastruoase asupra fragilizării aliajelor metalice.
O provocare a centralelor nucleare 4R provine din faptul ca in anumite zone trebuie sa fie prezente materiale care rezista la temperaturi de lucru peste 800oC, pentru perioade de timp îndelungate. Aşa numita „Generatie IV” de reactoare nucleare prezintă 6 variante: reactorul supercritic răcit cu apa (Supercritical Water Reactor – SCWR); reactorul de înalta temperatura (Very High Temperature Reactor – VHRT), Reactorul rapid răcit cu plumb (Lead-cooled Fast Reactor - LFR); Reactorul rapid răcit cu gaz (Gas - cooled Fast Reactor - GFR); Reactorul răcit rapid cu sodiu ( Molten Salt Reactor – MSR). Durata de viata preconizata pentru reactoarele nucleare din generaţia IV este de 60 ani.
Conceptul reactorului nuclear rapid răcit cu plumb (LRF) permite operarea într-un ciclu închis, cu un interval de realimentare cu combustibil nuclear foarte lung, de 15 – 20 ani. Mediile de răcire metalice care vor fi utilizate (Pb sau amestecuri Pb-Bi), deşi oferă un transfer mai eficient al căldurii de răcire și permite o mai bună optimizare a parametrilor funcționali ai reactorului, pot determina apariţia unor efecte de corodare localizata, cu predilecţie in zonele cu susceptibilitate fata de coroziunea fisurantă sub sarcina, datorita condiţiilor de expunere îndelungata la temperatura înalta (400 – 600 oC) si tensiuni mecanice generate de greutatea încărcăturii de metal lichid recirculat in permanenta. In astfel de condiţii este necesara crearea unui strat de protecţie, la suprafaţa metalica expusa mediului de metal lichid (învelişul exterior al reactorului, conductele de recirculare a metalelor lichide, sisteme de distribuţie, etc), capabil sa protejeze materialul împotriva efectelor de coroziune sau eroziune la temperaturi ridicate.
Proprietățile materialelor metalice pentru centralele nucleare sunt în pas cu generațiile de centrale nucleare. Astfel, centralele nucleare din generația 4R nu pot funcționa cu materiale (oțeluri) utilizate în generațiile anterioare, cu atât mai mult cele din generația I.
Procesele de deteriorare care sunt produse in cadrul structurii materialelor de către sistemele de generare a energiei nucleare impun, in momentul de fata, realizarea unor clase speciale de aliaje metalice care sa posede caracteristici de rezistenta sporita si stabilitate microstructurala fata de iradiere [1].
Pagubele posibile care pot apărea în materialele metalice supuse radiațiilor sunt următoarele:
· Fragilizarea și durificarea sub acțiunea radiațiilor (<0.4 TM, > 0.1 dpa) (fig. 1.2);
· Instabilitatea fazelor si precipitarea sub acțiunea radiațiilor induse (0.3 – 0.6 TM, > 10 dpa) (fig. 1.3);
· Fisuri si deformații de iradiere (<0.45 TM, > 10 dpa) (fig. 1.4);
· Dilatarea volumetrică urmare a formării cavităților induse (0.3 – 0.6 TM, > 10 dpa) (fig. 1.5);
· Îmbătrânirea la temperatură ridicată He (>0.5 TM, > 10 dpa) (fig. 1.6).
* dpa – deplasări (dislocații) per atom.
In cadrul reactoarelor nucleare ce utilizează uraniu îmbogăţit sau neutroni rapizi (cu combustibil nuclear de tip plutoniu) problemele de absorbţie neutronica sunt mai putin critice, permiţând un grad mai mare de libertate in procesul de alegere a materialelor, dictat mai ales de compatibilitatea cu mediul de răcire, rezistenta mecanica si fenomenele asociate iradierii cu fluxuri de neutroni foarte intense [2]. Principalele procese care sunt generate in materiale metalice de iradiere sunt:
- apariţia efectelor de curgere in stare solida sub acţiunea cumulata a tensiunilor mecanice si a dozelor de iradiere - fluaj de iradiere;
- formarea de cavităţi la scara sub-microscopica, ca urmare a coalescentei micro-golurilor sau dislocaţiilor;
- fragilizarea (scăderea valorilor caracteristicilor de tenacitate si plasticitate) datorita difuziei unor elemente chimice si susceptibilităţii de formare a unor compuşi duri si fragili in timpul perioadelor îndelungate de menţinere la temperaturile de lucru;
- cresterea gradului de anizotropie al materialelor (diferenţierea valorica a caracteristicilor de rezistenta pe direcţii diferite de solicitare si apariţia tendinţei de deformare pe direcţia de instabilitate maxima – [010] sau de contracţie [100]);
- gonflarea – apariţia unor cavităţi ca urmare a germinării si creşterii unor bule de gaz in interiorul materialului (Xe-Kr); se considera ca energia superficiala a cavitarilor este micşorata de iradiere prin absorbţia de produse solide cu diametrul atomic mare, generate de procesul de fisiune. Pentru reducerea acestor efecte s-a recurs in prezent la introducerea unor elemente de aliere (Al, Sn) care pot forma compuşi stabili cu produşii solizi de fisiune, ducand astfel la îmbunătăţirea comportării la fluaj;
- corodarea tenso-fisurantă (apariţia de fisuri prin acţiunea combinata a coroziunii si stării de tensiuni mecanice localizate la nivelul unor imperfecţiuni de material);
- coroziunea intergranulară (apariţia de fisuri pe limitele de grăunte);
- precipitarea de bule de He pe limitele de grăunte cu consecinţa scăderii forţelor de adeziune intergranulară.
Materialele convenţionale care sunt in prezent utilizate pentru diferite aplicaţii exploatate la temperaturi ridicate (peste 300oC) prezintă comportare diferita daca sunt supuse suplimentar si iradierii. Totodată, efectele de fragilizare induse de prezenta hidrogenului in matricea materialului deja fragilizat prin crearea de goluri sau microdefecte, devin mult mai importante in cazul centralelor nucleare.
Condiţiile de funcţionare ale reactoarelor din generaţia 4R sunt mult mai severe sub aspectul temperaturii de funcţionare, deoarece domeniul uzual de temperatura este 300-1000oC (fig. 1), ceea ce impune pentru materialele utilizate cerinţe mai mari privind stabilitatea structurala.
Dezvoltarea otelurilor pentru centrale nucleare s-a perfecționat continuu, dar in ritm foarte lent de-a lungul anilor (1920 – 2000). Odată cu apariţia cedărilor catastrofale la diferite centrale nucleare, au fost impuse noi teme de studiu privind noi tipuri de reactoare, mai performante si mai sigure (fig. 2). Progrese evidente au fost obtinute in ultimele 2 decenii, prin dezvoltarea unor oteluri de mare rezistenta, cu tenacitate ridicata, caracteristici rezultate prin producerea unei densitati mari a nano-precipitatelor stabile si eliminarea precipitatelor grosolane, ce constituie concentratori de tensiuni mecanice (fig. 3). S-a constatat, in urma cercetărilor efectuate in domeniul materialelor moderne, ca anumite elemente chimice introduse in oteluri in cantităţi bine precizate, permit formarea unor precipitate stabile la temperaturi ridicate, care blochează efectele de deteriorare prin formarea de goluri in cadrul reţelei cristaline. In ultimul timp, eforturile de cercetare s-au canalizat pentru realizarea de straturi de protecţie la suprafaţa metalelor, prin depunere de materiale ceramice (alumina). In acest sens au fost proiectate si realizate oteluri pentru structuri metalice care pot fi utilizate in condiţii de temperatura ridicata (600 – 800oC), in medii agresive oxidative (fig. 4).
|
|
|
Fig. 1. Deteriorarea prin deplasări atomice (doza dpa): VHRT – reactorul de înalta temperatura, GFR - Reactorul rapid răcit cu gaz, SCWR - reactorul supercritic răcit cu apa, LFR - Reactorul rapid răcit cu plumb, MSR, SFR - Reactorul rapid răcit cu sodiu topit. |
|
|
|
Data de implementare |
|
|
|
Fig. 2. Evoluţia condiţiilor de exploatare in funcţie de generaţiile de centrale nucleare. |
|||
|
|
Limita de rupere (MPa) |
Fig. 3. Caracteristici ale unor materiale avansate, utilizate pentru reactoare nucleare.
|
|
Temperatura de menţinere timp de 100000 ore, oC
Durata de mentinere. LMP ={ [T(oC) + 273] [C+logtrupere(ore)], C=20} |
Fig. 4. Clase de aliaje si caracteristicile acestora in conditiile de testare [1]
Astfel de oteluri au rezistenta la coroziune si oxidare ca urmare a prezentei in compoziţia chimica a cromului, care asigura formarea unui strat de oxid aderent, rezistent si pasiv chimic. La suprafaţa expusa mediului de lucru se pot genera si straturi compozite prin acoperire cu alumina, asigurând astfel o mai mare refractaritate a materialului. Datorita specificaţiilor cu privire la condiţiile de calitate a materiilor prime si proceselor de prelucrare mult mai stricte, aceste noi clase de materiale metalice au si costuri de obţinere mai ridicate comparativ cu cele clasice (fig. 5).
|
|
|
Fig. 5. Diferite clase de aliaje cu straturi de oxizi (Al2O3 sau Cr2O3) [1]
Straturile de oxid se pot obţine fie prin depunerea de pulberi nanostructurate prin procedee speciale (metalizare cu plasma sau cu flacăra de mare viteza – HVOF, depunere cu laser etc) sau prin oxidare in medii speciale, procedeu care dureaza timpi îndelungaţi (zeci de ore) pentru obţinerea unor grosimi acceptabile.
Cercetări avansate au abordat, in ultimul timp, posibilitatea cresterii in continuare a valorilor caracteristicilor de rezistenta la temperaturi ridicate prin microaliere cu elemente precum Y, Zr, Ti, Te etc. S-a constatat ca, prin adăugarea de mici cantităţi din astfel de elemente chimice, se pot obţine valori ale timpului de tranziţie in cadrul solicitării la fluaj, la 800oC, cu câteva ordine de mărime mai mari comparativ cu cele înregistrate la otelurile feritice sau martensitice clasice.
Activitatea I.2. Studii privind solicitarea materialelor metalice in medii de metale lichide si in camp intens de radiatii gamma
Cresterea rapida a cererii la nivel mondial pentru energie in secolul 21 a impulsionat cooperarea internationala pentru gasirea unor noi modalitati de a satisface nevoile de energie fara a fi afectat mediului inconjurator. Acest lucru a condus in mod firesc la energia nucleara, deoarece cantitati mari de energie pot fi produse in centralele nucleare, fara efecte negative asupra mediului inconjurator, efecte ce apar la producerea energiei prin utilizarea carbunelui sau produselor petroliere. Tehnologia si fiabilitatea economica a energiei nucleare au fost demonstrate de reactoarele opereaza astazi in intreaga lume.
Materialele de structura intra in componenta partii exterioare si interioare a zonei active, ca elemente cu rol de legatura, rezistenta, dirijare a agentului termic si de protejare a elementelor combustibile. Materialele partii exterioare zonei active trebuie sa reziste pe toata durata de viata a reactorului, dar sunt mai putin solicitate termic si la radiatii si pot avea sectiuni de abosorbtie a neutronilor mai mari, materialele de structura ale zonei active supuse celor mai mari solicitari, putând fi insa inlocuite cu ocazia reparatiilor reactorului sau reincarcarii combustibilului.
Proprietatile principale ale materialelor structurale din interiorul zonei active sunt:
- sectiune mica de absorbtie a neutronilor termici si de aceea puritate mare;
- rezistenta mecanica;
- rezistenta la coroziune;
- stabilitate termica si la iradiere;
- coeficient de dilatare mic;
- sa permita viteze mari de incalzire si racire;
- proprietati bune de transmitere a caldurii;
- compatibilitate chimica cu combustibilii si agentii termici;
- durabilitate mare si cost redus.
Materialele de structura folosite sunt: aluminiul, magneziul, zirconiul si aliajeleb lor, beriliul, otelurile inoxidabile si aliate, metale refractoare, metale ceramic, etc.
Prin radiatie se intelege, in general, un fascicul de particul in miscare, termenul de particula fiind folosit in sensul cel mai larg, cuprinzind atat fotoni cit si corpuscule (particule cum asa diferita de repaus diferita de zero).
In grupul radiatiilor nucleare intra numai o parte din radiatiile electromagnetice si anume cele penetrante : radiatiile de frinare, radiatiile de anihilare si radiatiile gamma. Radiatiile corpusculare sunt formate din particule elementare (electroni, protoni, neutroni) in miscare sau din nuclee de atomi (nuclee de heliu-radiatia alfa).
Radiatiile nucleare interactioneaza cu substanta pe care o strabat, producind direct sau indirect ionizarea acesteia.
Radiatiile gamma fac parte din familia radiatiilor electromagnetic penetrante si sunt radiatii indirect ionizante, spre deosebire de radiatii compuse din particule incarcate care sunt radiatii direct ionizant.
Radiatiile gamma sunt generat de dezexcitarea nucleelor excitate, fiecare radionuclid avand un spectru gamma caracteristic.
Datorita fenomenelor de intractie cu substanta un fascicul de radiatii Roentgen si /sau gamma se atenueaza pe masura ce patrund in substanta prin doua tipuri de procese:
-procese de atenuare;
-procese de absorbtie.
Procesele de imprastiere pot fi de doua tipuri elestice si neelastice. In procesele elastice energia cinetica se conserva fiind prluta in parte de particula ciocnita, pe cind in ciocnirea neelastica o parte din energia cinetica se comunica atomului san nucleului ciocnit.
Dintre tipurile de imprastiere posibile doua sunt mai important: imprastirea coerenta cu un electron atomic si imprastierea necoerenta cu un electron cvasiliber, cunoscuta sub numele de efect Compton.
Procesele de absorbtie, in care energia sa este consumata complet in procesul de interactie, au loc fie la interactia cu un electron atomic- efect fotoelectric, fie cu cimpul nucleului-efectul de generare de perechi (electron si pozitron). Pentru crearea masei de repaus a celor doi electroni- 1,022 MeV este necesar ca fotonul incident sa aiba o energie mai mare de 1,022 MeV. Generarea de perechi este un proces cu prag energetic.
Legea de atenuare a intensitaţii fascicolului de radiaţie gamma care strabate o anumita grosime x de substanţa omogena este de tip exponenţial:
,
unde: I0 este intensitatea fascicolului neatenuat, iar coeficientul liniar de atenuare, m, este aditiv, inglobând coeficienţii corespunzatori fiecarui proces elementar:
m=mi+ma [m-1],
Unde: mi=coeficientul de atenuare datorita imprastiere;
ma= coeficientul deatenuare datorita absorbtie
In vederea determinarii efectului podus de un cimp intens de radiatii gamma asupra aliaje metalice din clasa FeCrAl, cu rezistenta la coroziune si eroziune in medii metalice lichide, oxidante, la temperaturi ridicate si in câmp intens de radiatii penetrante si ionizante gamma folosite pentru reactoarele nucleare de generatia a IV-a se va proceda la iradierea acestor materiale imersate in plumb topit intr-un dispozitiv experimental - camera de iradiere- a carui schema este prezentata in fig. 2.1.
Fig. 2.1. Camera de iradiere.
Camera de iradiere se va realizata din otel inoxidabil 316L cu grosimea de 2,5 mm in forma circulara (diametrul 170 mm si inaltimea 170 mm) prevazurta cu flansa si capac detasabil cu diametrul de 180 mm prevazut cu piulite de fixare. Etansarea se realizeaza cu ajutorul unei garnituri din fluoroelastomer (VITON) acoperit superficial cu unsioare de vid siliconica. Conexiunea la sistemul de vid s-a realizat pe capacul camerei de iradiere din tubulatura din otel inoxidabil 316L cu diametru exterior de 10 mm cu conectori si robinet tip Swagelook. Izolatia termica va fi asigurata de un vas cilindric din otel inoxidabil acoperit cu un strat de ceramica., introdus coaxial cu camera de iradiere, iar spatiul dintre peretele camerei de iradiere si cilindrul central este umplut cu vata de cuart.
Camera de iradiere va trebuii sa asigur o izolare termica sufficient de buna, astfel incit pe toata durata iradierii plumbul topit in care au fost introduse probele metalice supuse la cimpuri intense de radiatii gamma sa fie in stare lichida, impiedicind solidificarea acestuia.
Iradierea probelor se va face intr-o instalatie de iradiere automata Gamma Chamer 5000 ce contine un set de surse de 60-Co distribuite circular cu o activitate de 8000 Ci. Instalatia de iradiere permite slectarea automata a timpului de iradiere, debitului dozei si a dozei totale.(figura 2.1)
Iradierea probelor se va face cu respectare Normelor Fundamentale de Securitate Radiologica NRSN-02 (Monitorul official-2000).
Activitatea I.3. Modelarea matematica a transferului energetic laser-metal
Transferul de energie din fasciculul laser către piesă are loc prin intermediul a două mecanisme principale. Primul mecanism se realizează prin absorbţia directă a energiei de către peretele zonei „keyhole”, denumită generic „absorbţia Fresnel”. Al doilea mecanism este mai complicat şi demarează prin absorbţia inversă de încetinire a radiaţiei în vaporii ionizaţi. Acest proces transferă energia de la laser către plasmă, urmat de transferul către pereţii zonei „keyhole”, printr-o serie de mecanisme precum: conducţie termică, radiaţie, absorbţie. Energia este absorbită fie de către faza lichidă a materialului fie este utilizată pentru excavarea în profunzime a acestuia, în vederea creării unor noi zone „keyhole”.
În zona „keyhole” este necesară apariţia unei cantităţi mai mari de plasmă la sudarea cu fascicul de laser (CO2), pentru a se putea produce echilibrul termodinamic local, în timp ce la sudarea cu fascicul laser (Nd:YAG), formarea de plasmă trebuie să fie neglijabilă.
Puterea fasciculului laser este absorbită în zona „keyhole” cu vapori parţial ionizaţi şi transferată către pereţii acesteia, prin conducţie termică. Puterea laserului este direct proporţională cu secţiunea transversală medie a zonei „keyhole” şi intensitatea medie a radiaţiei este distribuită în toate direcţiile. Energia absorbită în plasmă reprezintă termenul sursă termică din ecuaţia căldurii, în care conductivitatea termică a plasmei este funcţie de temperatură.
În tipul sudării, metalul topit din baia de sudare se află într-o continuă mişcare. Această agitare continuă este datorată faptului că asupra metalului topit se exercită forţe de presiune datorate fenomenelor de vaporizare şi supraîncălzire, care determină trecerea sa prin zona „keyhole” către peretele metalic solid la nivelul căruia se produce solidificarea.
Turbulenţa curenţilor de convecţie în baia metalică, evidenţiată prin filmarea ultrarapidă a topiturii, se datorează faptului că există variaţii de temperatură în secţiunea transversală a zonei „keyhole”, fapt care antrenează şi modificări ale tensiunii superficiale la nivelul metalului topit. Din punct de vedere matematic, tensiunile superficiale, a căror valoare este influenţată de temperatură, guvernează condiţiile limită pentru stabilirea ecuaţiilor fluidului aflat în mişcare.
Se cunoaşte faptul că liniile de curgere care se formează în baia de sudare sunt paralele sau perpendiculare faţă de axa fasciculului laser, ceea ce determină o deplasare instabilă a zonei „keyhole”.
Deşi direcţia fluxului de metal lichid depinde esenţial de orientarea pozitivă sau negativă a gradientului tensiunii superficiale, un element de maximă importanţă este prezenţa în suprafaţa activă a sulfului, sub formă de impuritate dizolvată.
Efectul de termo-capilaritate a fost analizat din punct de vedere teoretic [6], însă nu s-a stabilit cu precizie cauza principală care determină apariţia liniilor de solidificare paralele cu raza laser.Pentru modelarea termică trebuie luaţi în considerare curenţii de convecţie din baia de sudare, deoarece circulaţia metalului lichid influenţează redistribuirea căldurii şi influenţează implicit lăţimea şi pătrunderea cordonului sudat.
Exista două posibilităţi care pot genera apariţia efectului „keyhole” la sudare, care nu pot fi aplicabile la sudarea cu arc electric. Se vorbeşte despre existenţa unor proeminenţe care se formează pe peretele zonei „keyhole” , astfel încât curgerea metalului lichid poate fi influenţată de către forţele de recul din timpul evaporării şi de jetul de vapori metalici în centrul zonei “keyhole”. Uneori o baie metalică voluminoasă poate avea o zonă mai îngustă de circulaţie comparativ cu o baie mai mică, făcând efectul fluxului de curgere mai puţin evident.
Pentru a se putea forma zona „keyhole” se exercită o presiune asupra materialului până când acesta este îndepărtat de pe suprafaţa piesei. Limita suprafeţei topite nu este bine definită, deoarece metalul topit se află în permanentă mişcare turbulentă sub efectul liniilor de curgere, a variaţiei temperaturii şi tensiunii superficiale.
Forţele motrice principale sunt transmise de mişcarea forţelor tangenţiale de vâscozitate în cele două zone, „keyhole” şi baia de sudare.
Se poate trage concluzia că apariţia efectului „keyhole” determină mişcarea axială a băii de sudare. Astfel de mişcări axiale pot fi suficient de puternice încât să aiba loc o mişcare turbulentă a metalului topit din zona adiacentă „keyhole”.
Un lucru cert este acela că zona „keyhole” are caracteristici geometrice complexe, nu este staţionară în raport cu axa razei laser, ci efectuează permanent o mişcare de rotaţie, dependentă de timp.
Cercetările experimentale au evidenţiat că materialul are un comportament diferit la partea superioară faţă de cea inferioară a zonei „keyhole”, dar din considerente de simplitate, se preferă considerarea unei comportări simetrice. Se poate pune în evidenţă foarte uşor tendinţa mişcării băii de sudură către centru, paralelă cu raza laser, ceea ce poate duce la formarea de pori în cusătură, prin antrenarea aerului în zona centrală. Porii pot fi evitaţi dacă sudarea are loc într-un mediu vidat. În acest caz, curgerea băii de sudură, paralelă cu fasciculul laser, se produce pe aceeaşi direcţie cu vaporii de metal.
Activitatea I.4. Cercetari privind procesele de prelucrare superficiala cu laser a materialelor metalice
La origine termenul laser este acronimul LASER format în limba engleză de la denumirea „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (amplificarea luminii prin stimularea emisiunii radiatiei), denumire construită pe modelul termenului maser care înseamnă un dispozitiv similar care functioneaza în domeniul microundelor.
Radiaţiile laser sunt radiaţii electromagnetice concentrate diferite de radiaţiile surselor de lumină clasice prin proprietăţile specifice ale acestora (care derivă din faptul că radiaţiile sunt stimulate). Puterea şi focalizarea fasciculului împreună cu lungimea de undă a radiaţiei reprezintă parametri caracteristici ai unui fascicul laser. Proprietăţile radiaţiei laser sunt: coerenţa, monocromaticitatea, intensitatea şi distribuţia temporală a fasciculului.
Prelucrările cu laser formează o categorie aparte de procedee caracterizate printr-o mare densitate de energie pe unitatea de suprafaţă ceea ce le situează, din acest punct de vedere, pe primele locuri în ceea ce priveşte eficienţa şi productivitatea.
Ca o caracteristică definitorie, energia radiaţiei luminoase se transformă în căldură la impactul cu materialul de prelucrat, motiv pentru care, în general, categoria lucrărilor care pot fi executate cu aceste procedee se referă la: tratamente termice, sudare, găurire, tăiere, gravare, inscripţionare. Toate acesta prelucrări au la bază intervenţia asupra materialului cu sursa termică, cu valori scăzute ale energiei introduse localizat, la temperaturi egale sau mai mari decât temperatura de topire (caz în care poate apărea şi vaporizarea materialului prelucrat).
Fasciculul laser induce proprietăti speciale materialelor metalice procesate. Prelucrarea cu laser implică toate procesele în care fasciculul laser este utilizat pentru a încălzi local o suprafată. Utilizarea laserului ca sursă concentrată de energie are următoarele avantaje comparativ cu metodele conventionale:
Ø Controlul precis al energiei furnizate;
Ø Procesarea unor suprafete selective;
Ø Controlul exact al profilului termic si limitarea zonei influentate termic;
Ø Energia termică totală este mică, rezultând astfel tensiuni minime induse în materialul de bază;
Ø Ciclul de încălzire răcire este foarte rapid obtinându-se microstructuri fine si/sau faze metastabile;
Ø Este un proces fără contact direct;
Ø Procesarea cu fascicul laser este usor de automatizat.
Procesele termice (călirea si topirea) produc modificarea suprafetei materialului de bază prin schimbarea microstructurii stratului superficial. Procesele termo-chimice precum alierea sau încărcarea determină modificarea suprafetei materialului de bază prin adăugarea unui material de adaos în baia topită formată de fasciculul laser.
Caracteristica comună a tuturor tehnicilor de procesare cu fascicul laser este solidificarea rapidă a materialului, fenomen datorită căruia se poate obtine o structură metalurgică fină, cu proprietăti mecanice superioare. Totusi, această caracteristică conduce la cresterea pericolului de fisurare si aparitie a porilor sau incluziunilor.
Alierea cu fascicul laser implică utilizarea unei cantităti reduse de pulbere, formându-se astfel o suprafată superficială aliată si omogenă.
Vitrificarea sau glazurarea cu laser se obtine prin încălzirea locală a suprafetei pieselor metalice cu radiatie laser la o densitate de putere ridicată, urmată de răcirea rapidă a băii metalice. Astfel structura cristalină a suprafetei superficiale a materialului de bază devine amorfă, sticloasă.
Radiatia laser interactionează cu materialul de bază si cu materialul de adaos si o parte semnificativă a energiei sale este direct absorbită de către acestea, iar o parte din energia fasciculului este reflectată atât de suprafata substratului cât si de către pulbere; energia absorbită de către materialul de bază conduce la formarea băii de metal topit în care sunt adăugate particulele de pulbere.
Metoda de depunere laser în impulsuri (PDL, „Pulsed Laser Deposition”) este larg folosită în domeniul producerii de straturi subţiri din materiale şi combinaţii de materiale care nu pot fi procesate decât cu mari dificultăţii prin alte metode. Din cercetările efectuate recent au fost obţinute prin PLD acoperiri de mare calitate cu o mare varietate de proprietăţi speciale. Principalul motiv al progresului PLD este acela ca materiale cu compoziţie oricât de complicata se pot transfera pe un substrat fără schimbarea stoichiometriei (ablaţia congruentă). Se poate asigura controlul stoichiometriei materialului din ţinta atât în vid cât şi în medii de gaze inerte sau reactive. De asemenea se pot obţine uşor multistructuri, iar grosimea stratului poate fi controlată cu o precizie bună .
Tratamentele termince superficiale se obţin prin procese de încălzire localizată cu ajutorul laserului, utilizate în operaţiile de tratament termic superficial, pentru a nu produce transformări de fază în structura materialelor, atunci când se impun restricţii deosebite privind alegerea corespunzătoare a parametrilor de lucru.
La realizarea unor procese de încălzire cu ajutorul laserului, utilizate în operaţiile de
tratament termic de suprafaţă, pentru a nu se produce schimbări de fază în structura materialelor, se impun restricţii deosebite privind alegerea corespunzătoare a parametrilor radiaţiilor.
Tratamentele termice de durificare a straturilor superficiale de material se pot aplica pe suprafeţe, contururi sau muchii extrem de înguste, fără afectarea structurii materialului de bază sau a zonelor învecinate, proprietăţile materialului netratat fiind nealterate.
Întreaga gamă de prelucrări care se pot realize cu fascicul laser are la bază un efect termic. Cu ajutorul fasciculului laser se pot abţine temperaturi mai mici decât temperatura de topire, utilizate în operaţii de tratament termic, temperaturi mai mari decât temperatura de topire dar mai mici decât temperatura de vaporizare a materialului, utilizate în prelucrări prin sudură, sau temperaturi mai mari decât temperatura de vaporizare, utilizate în operaţii de găurire, tăiere, inscripţionare sau gravare.
Utilizarea laserilor pentru procesele de incalzirea a materialelor cu aplicatii la operatiile de tratament termic de suprafata impune conditii restrictive deosebite privind alegerea corespunzatoare a parametrilor de iradiere laser, dupa cum este de dorit sau nu sa se produca schimbari de faza in structura materialelor, precum si in zonele afectate termic.
Grosimea stratului tratat termic este influentata semnificativ si de conductibilitatea termica a materialului probei.
In cazul in care se efectueaza un tratament termic de calire cu laser trebuie avut in vedere ca intensitatea radiatiilor laser sa fie inferioara celor care produc transformarea de faza.
Pentru determinarea comportarii materialelor metalice la calirea termica cu laser, trebuie avute in vedere atat caracteristicile fizico-chimice ale acestora, diagramele de echilibru fazic, cat si transformarile in starea solida cu microstructurile de echilibru care apar la aceste materiale.
Prelucrarea prin soc cu laser (LSP) produce numeroase efecte benefice în materiale. Cele mai importante caracteristici imbunatatite prin acest procedeu sunt: cresterea rezistentei suprafetelor materialelor la oboseală, la uzura de oboseală si la fisurarea prin coroziune. Acest lucru este posibil prin inducerea în adâncimea materialelor a tensiunilor reziduale de compresiune, care este mult mai profundă decât varianta clasică de ecruisare.
Procesul poate fi aplicat ca etapă finală de prelucrare a suprafetei piesei sau chiar
înainte de etapa finală de finisare. Acest tip de tratament termic se poate aplica componentelor masinilor, utilajelor sau ale altor piese. Acest tip de tratament termic cu laser se preteaza a fi utilizat atat pe suprafetele externe ale pieselor cat si pe suprafetele interne cu o accesibilitate mai redusa. LSP functionează prin exercitarea unei forte mecanice pe suprafata piesei, suprafata nefiind afectată termic. Cu toate acestea pot fi setati parametrii procesului pentru a obtine un efect termic limitat sau pentru a oferi un potential de cost benefic.
Efectele de suprafată ale fortei mecanice produse de fasciculul laser sunt minime. La aliajele moi se produce o cavitate putin adâncă la suprafață, care scade în profunzime la materialele dure. Valorile intensitatii fascicululi laser nu influenteaza adanscimea cavitatii, aceasta este influentata in principal de duritatea materialului supus tratamentului termic.
Laserul poate efectua tăierea materialelor metalice sau nemetalice (ceramice, plastice sau compozite), după contururi simple, regulate sau complexe, debitări, decupări de contururi închise sau deschise, fără restricţii privind raza minimă (aşa cum se impune în cazul sculelor aşchietoare utilizate la prelucrări convenţionale), prelucrarea unor ferestre, fante, incizii pe suprafeţe bi şi tridimensionale, realizate în condiţii tehnologice de calitate care nu implică prelucrări ulterioare de finisare.
Depunerea cu fascicul laser este un procedeu în care radiaţia laser este utilizată ca sursă termică, iar un material de adaos sub formă de sârmă sau pulbere este topit şi depus pentru îmbunătăţirea sau crearea unei noi suprafeţe. Sunt dezvoltate multe alte tehnici convenţionale pentru realizarea acestui proces (metalizare cu flacară, electro-depunere), dar care sunt limitate la depuneri cu grosimi foarte mari (> 2,5 mm) sau foarte reduse, de aproximativ 0,05 - 0,2 mm/strat. În cazul depunerilor cu laser, grosimea unui strat depus poate fi cuprinsă între 0,005 şi 2 mm, cu asigurarea unei bune aderenţe între materialul de adaos şi materialul de bază. Influenţa termică scazută indusă materialului de bază în timpul acestui proces permite realizarea depunerilor cu diluţie minimă între materialul de adaos şi substrat. Depunerea cu laser este un proces multidisciplinar care implică tehnologia laser, metalurgia, proiectarea CAD-CAM, robotica şi tehnologia sinterizării pulberilor.
Compatibilitatea materialului de adaos cu materialul de bază este un factor important în procesul de depunere cu laser. Este posibilă si realizarea de straturi depuse utilizând materiale complet diferite (pulberi ceramice si material de bază din otel) dar coeficientul diferit de expansiune termică conduce la fisurarea straturilor depuse. În mod uzual majoritatea materialelor de adaos în formă de pulbere sunt clasificate în cinci categorii [8]:
Ø Pe bază de cobalt;
Ø Pe bază de nichel;
Ø Pe bază de fier;
Ø Pe bază de carburi de tungsten, titan sau siliciu;
Ø Ceramice.
În literatura de specialitate sunt prezentate diverse tipuri de aliaje care urmăresc îmbunătătirea continuă a pulberilor comerciale sau crearea de noi aliaje menite să crească proprietătile mecanice ale suprafetelor metalice.
Sudarea cu laser se poate executa cu impulsuri sau emisie continuă. Pot fi realizate atât microsuduri (în electronică), cât şi suduri de mari dimensiuni, pentru materiale care au puncte de topire şi fierbere apropiate, sudarea pieselor cu pereţi subţiri sau care se deformează uşor (având în vedere valorile reduse ale tensiunilor şi deformaţiilor comparativ cu celelalte procedee de sudare). Pentru realizarea asamblărilor sudate cu laser este necesar să se aleagă în mod corespunzător echipamentul de sudat cu laser, adaptat tipului îmbinării şi materialelor de sudat, care trebuie să aibă o putere de emisie şi o lungime de undă care să permită o absorbţie a radiaţiilor laser cât mai mare.
Cu ajutorul fasciculului laser se pot realiza îmbinări sudate pentru o varietate de metale şi aliaje ale acestora, în regim pulsat sau continuu. Sursa laser este eficientă deoarece necesită o densitate de energie numai de 37,8 J/cm2 pentru a produce pătrunderea necesară, în comparaţie cu arcul electric care necesită 246 J/cm2 la nivelul piesei de prelucrat. Încălzirea locală care are loc la sudarea cu laser face ideală folosirea acestuia pentru sudarea componentelor electronice, pe plăcile cu circuit imprimate, în cazul în care se prelucrează volume mici, cu temperaturi medii de topire ridicate [3,49].
Fasciculul laser are o direcţionalitate foarte bună, de 108 ori mai bună decât fasciculul de radiaţie emis de un corp incandescent, unghiul de divergenţă efectiv fiind de 2-10 ori mai mare decât limita unghiului de difracţie. Fasciculul laser se propagă la un unghi solid foarte redus, ceea ce determină o aplicabilitate de înaltă clasă pentru îmbinările greu accesibile.
Activitatea I.5. Proiectarea preliminară a unor tipuri reprezentative de aliaje metalice din familia FeCrAl pentru obținerea in instalatia RAV
Selectarea materiilor necesare pentru centrale nucleare, precum și calificarea adecvată necesită aplicarea unui proces logic pentru determinarea celui mai adecvat material pentru o aplicație cu component date și obținerea datelor necesare pentru a demonstra că materialul poate fi folosit cu succes. Selecția materialelor necesită, de asemenea, o alegere a materialului ca parte a unei aplicații componentă a reactorului NGNP (Next Generation Nuclear Plant – Noua Generație de Centrale Nucleare) sau părți ale acestuia. În timpul selecției și utilizării diferitelor materiale pentru construcția unor facilități nucleare, mai multe proprietăți și factori trebuie să fie luate în considerare în funcție de cerințele dedicate fiecarei aplicații specifice. În general, acestea constau în două direcții și anume: materiale pentru construcția componentelor structurale - partea non-combustie a reactorului și materiale utilizate pentru partea de combustie a centralei.
Unele dintre cele mai importante probleme în care sunt implicate materialele metalice utilizate în acest domeniu sunt:
· Proprietăți mecanice la temperatură înaltă (de exemplu, tracțiune, fluajul, rezistența la oboseala în cicluri ridicate și mici, rezistența la rupere, în aer și medii de heliu impure;
· Procesul de degradare a mediului ca urmare a expunerii la heliu la temperaturi înalte, cu contaminanți, cum ar fi: CO, CO2, H2, H2O și CH4;
· Efectele de iradiere pe termen lung cu privire la proprietățile mecanice (de exemplu, rezistența la tracțiune, fluajul, oboseala, ruperea sub tensiune, ciclurile de înaltă și joasă oboseală, rezistența la rupere);
· Stabilitatea metalurgică la temperaturi ridicate (efectele îmbătrânirii termice);
· Dezvoltarea și validarea unor noi surse de materiale grafitice;
· Extinderea omologării Codul ASME pentru materiale metalice aflate în exploatare la temperaturi mai mari, conform NGNP;
· Dezvoltarea și aprobarea Codului ASME pentru grafit, materiale compozite și materiale ceramice;
· Dezvoltarea tehnologiilor de fabricare a componentelor pentru componente critice ale reactorului, cum ar fi vasul de presiune (RPV) și barele de control;
· Emisivitatea suprafeței externe RPV pentru răcirea în condiții de accident.
Principalele proprietăți ale materialelor metalice utilizate în centrale nucleare sunt următoarele: prelucrabilitatea (mașinabilitatea), formabilitatea, ductilitatea, stabilitatea, rezistența la coroziune, disponibilitatea, fabricabilitatea, transferul de caldură, rezistența mecanica, costurile de producție.
Succint, aliajele metalice pentru centrale nucleare din generația 4R trebuie să îndeplinească următoarele condiții de bază:
1. Să fie rezistente la oxidare la temperaturi ridicate;
2. Să prezinte rezistență la coroziune și eroziune și radiații penetrante în medii metalice lichide;
3. Să aibă capacitatea de a forma, continuu, un strat protector de oxid cu aderență ridicată prin autogenerare.
O grupă de astfel de materiale este reprezentată de aliajele din clasa FeCrAl care sunt similare cu oțelurile inoxidabile feritice, dar care prezintă conținuturi ridicate de aluminiu si elemente de microaliere, fiind proiectate pentru a fi utilizate la temperaturi de până la 1400 0C. Acestea prezintă proprietăţi electrotermice deosebite: rezistivitate mare, coeficient de temperatură scăzut, durată de viaţă îndelungată la temperaturi ridicate, precum şi performanţă ridicată privind rezistenţa la oxidare [6, 7, 8, 9].
Această din urmă caracteristică este dată de faptul că stratul superficial al aliajului metalic se oxidează cu formarea de Al2O3, strat care împiedică oxidarea în profunzime, la temperaturi ridicate. Stratul ceramic se comportă ca o bariera împotriva efectelor corozive sau erozive produse de agentul metalic lichid de răcire și oferă o protecție optimă, dacă densitatea sa este mare și dacă oxidul metalic nu se exfoliază în timpul funcționării instalației. Datorită coeficienților diferiți de dilatare termică ai matricei metalice și ai oxidului, există posibilitatea exfolierii stratului de oxid în timpul funcționării, într-o măsură mai mare sau mai mică.
Conceptul proiectului de cercetare NUCLEARMAT se concretizează in dezvoltarea unor noi materiale metalice din clasa FeCrAl microaliate cu ytriu și/sau zirconiu și/sau titan, care sunt capabile să reziste la coroziune și eroziune în medii de metale grele lichide, oxidante și la temperaturi ridicate. Aceste aliaje vor avea reţete de fabricaţie noi si adaptate la condiţiile de testare pentru centrale nucleare.
Totodată, tot ca element original, se vor crea, pe suprafața materialelor metalice care alcătuiesc corpul reactorului, straturi de retopire cu conţinut ridicat de oxid metalic prin iradiere superficială cu laser, capabil sa asigure rezistenta la coroziunea si eroziunea exercitata de metalul lichid utilizat ca mediu de răcire.
Un alt element de noutate este modelul experimental original de testare (stand de testare in condiţii simulate, cu menţinere in medii de metale lichide si/sau in medii iradiante) propus pentru evaluarea comportării materialelor metalice în condiții de temperatură ridicată, medii metalice lichide și/sau in medii cu radiații penetrante ionizante.
Consorţiul de cercetare ştiinţifică a propus realizarea unei game de aliaje din clasa FeCrAl microaliate cu ytriu și/sau zirconiu și/sau titan, care vor fi elaborate într-o instalație de retopire cu arc în vid (VAR) sau în cuptor cu inducție în vid (VIM).
Domeniile de compoziție chimica ale aliajelor vor fi următoarele: Al = 4 – 10 %; Cr = 12 – 18 %; (Y, Zr, Ti) = 1 – 3%; Fe = rest. Cercetările experimentale privind aliajele FeCrAl vor fi conduse după un algoritm logic de derulare, la care participă toți membrii Consorțiului, fiecare cu expertiza sa. Corpurile de probă din aliajele FeCrAl se vor realiza într-o instalație de retopire cu arc în vid MRF ABJ 900 – VAR sau într-un cuptor cu inducție în vid, tip Balzers
HU-40-25-40-04 – VIM, aflate în dotarea laboratorului ERAMET (www.eramet.ro).
Pe baza literaturii de specialitate și a experienței în domeniul obținerii materialelor metalice, Consorţiul de cercetare ştiinţifică implicat în rezolvarea proiectului va realiza o gama de aliaje din clasa FeCrAl, cu diferite grade de microaliere. La alegerea compozițiilor chimice ale aliajelor FeCrAl microaliate cu ytriu și/sau zirconiu și/sau titan și/sau hafniu etc se va ține cont de influențele pe care elementele de aliere le au asupra proprietăților acestor materiale, astfel:
- Valoarea conținutului de Al din aliaj va fi cuprinsă în intervalul 4 – 10 %. Motivația este dată de de faptul că la conținuturi mai ridicate de aluminiu, capacitatea acestuia de a forma o suprafață texturată uniforma de oxid de aluminiu, care este favorabilă în aliajele FeCrAl, devine neregulată. Astfel, la valori de peste 8 % Al, se remarcă o reducere marcantă a capacitatii de texturare a suprafaței de oxid de aluminiu, cu formare de mănunchiuri din fibre de alumină. Valori mai mici ale continutului de Al nu asigură rezistență corespunzatoare la oxidare.
- Valoarea conținutului de Cr din aliaj va fi cuprinsă în intervalul 12 – 18 %. Motivația este dată de faptul că la creșterea conținutului de crom peste 23 % se poate forma faza sigma, cu efecte negative asupra fragilizării matricei metalice. Conținuturi de crom sub 12 % nu oferă suficienta rezistență la oxidare.
- Adaosul de elemente de pământuri rare (ceriu), precum și de alte elemente cu afinitate mare pentru oxigen (ytriu, zirconiu, titan) conduce la formarea unor oxizi extrem de stabili pe suprafața aliajelor FeCrAl, cu aderență foarte mare la substrat. În proiect se propune alierea cu ytriu, zirconiu și titan în domeniul de valori 1 – 3 %.
- Conținutul de fier din aliaje va rezulta din bilanțul de elemente. Se vor limita la minimum conținuturile de carbon și azot din aliaj întrucât formarea de carburi și nitruri conduce la fragilizarea stratului de oxid. De aceea, conținutul de carbon se limitează la 0,03 %, iar conținutul de azot la 0,02 %, iar valorile cumulate ale conținuturilor de carbon și azot nu vor depăși 0,04 %. Limitarea conținutului de carbon se va face prin utilizarea în încărcătură a unui fier tip ARMCO (marca MK3) cu 0,02 %C. Limitarea conținutului de azot se va face prin elaborarea aliajului metalic într-o instalație de retopire cu arc în vid – VAR sau într-un cuptor cu inducție în vid sub un nivel de vid de minimum 10-3 mbari.
Pentru omogenizarea si finisarea stratului de oxid format la suprafața aliajelor metalice se vor aplica tratamente superficiale cu laser.
În vederea testării acestor aliaje FeCrAl se va proiecta si realiza un stand experimental (model experimental) de concepție proprie, care va permite modificarea temperaturii în intervalul de valori 400 ... 600 oC. Corpurile de probă vor fi imersate în medii de metale lichide și în câmp intens de radiații gamma (radiatii gamma de energie mare (energia medie 1,125 MeV) emise de surse radioactive inchise de Co-60) în laboratoarele autorizate CNCAN pentru lucrul cu surse radioactive.
Probele din aliajele FeCrAl vor fi iradiate în condiții de temperatura ridicată, atât imersate in metal lichid (plumb topit) cât şi în aer în vederea studierii separate a efectului dozelor mari de radiații gamma asupra microstructurii probelor.
Înainte și după testare corpurile de probă vor fi supuse investigațiilor de laborator pentru analizarea comportării stratului de oxid după funcționarea în astfel de medii.
Pentru obţinerea şi caracterizarea materialelor metalice utilizate în proiect şi adoptarea celor mai eficiente dintre ele, precum şi a tehnologiilor de elaborare se utilizează cunoştinţe din domeniul metalurgiei şi chimiei, în vederea derulării eficiente a reacţiilor fizico-chimice specifice fiecărui tip de aliaj metalic Cunoștințele din domeniul științei materialelor și de mecanică sunt utilizate pentru analizele microstructurale și caracteristici mecanice.
Fizica nucleară își va găsi aplicația în studierea efectului dozelor mari de radiaƫii gamma asupra microstructurii corpurilor de probă din aliaje FeCrAl imersate în metale lichide, la temperaturi ridicate.
Procesul de tratare cu laser a suprafețelor active are la bază cunoştinţele teoretice şi practice de fizica laserilor și de prelucrări mecanice din domeniul sudării materialelor metalice. Totodata, elementele de matematică avansată sunt utilizate pentru simulări numerice şi pentru crearea şi validarea modelului experimental, în vederea finalizarii cu succes a proiectului.