Sul ruolo di Al/Nb nell'SCC degli acciai inossidabili AFA in CO2 supercritica

npj Materiali Degradazione volume 6, Numero articolo: 56 (2022) Citare questo articolo

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L'SCC di una serie di acciai inossidabili AFA con diversi contenuti di Al e Nb è stato studiato in CO2 supercritica mediante SSRT. I risultati mostrano che l’elemento Nb svolge un effetto di rafforzamento delle proprietà meccaniche per precipitazione, mentre mostra scarsi effetti sulle proprietà di corrosione. La pellicola di ossido superficiale del materiale privo di Al era costituita solo da Cr2O3 amorfo e spinello ricco di Cr. Con l'aggiunta di Al, si formano gli strati Al2O3 che riducono significativamente la diffusione dell'elemento, inibendo così l'inizio dell'SCC. Fe3O4 riempie l'interno delle fessure sia dei materiali contenenti Al che di quelli privi di Al. Lo strato Al2O3 si forma all'estremità della fessura dei materiali contenenti Al. Poiché i grani della matrice sono grandi, lo strato protettivo Al2O3 può formarsi solo all'apice della fessura, il che non può impedire completamente la diffusione degli ioni verso l'esterno sulle pareti della fessura e il suo effetto protettivo sulla propagazione della fessura è limitato.

Con i vantaggi di un'elevata capacità di compattazione, buona comprimibilità ed elevata efficienza di trasferimento di calore1,2, l'anidride carbonica supercritica (sCO2) è stata considerata un potenziale fluido per diversi sistemi energetici, come i reattori nucleari. Il reattore nucleare raffreddato con sCO2 è diventato uno dei reattori nucleari di quarta generazione più promettenti3,4,5,6,7. Tuttavia, il cedimento dei materiali nell’ambiente operativo è gradualmente diventato uno dei problemi chiave che limitano lo sviluppo del sistema sCO28.

Attualmente, i materiali strutturali e di rivestimento convenzionali che possono essere utilizzati nel reattore nucleare raffreddato con sCO2 includono principalmente acciaio ferritico/martensitico (F/M)9, acciaio inossidabile austenitico10,11 e leghe a base di nichel12. Tra queste, le leghe a base Ni hanno un elevato residuo radioattivo, ma il loro costo economico è troppo elevato per essere applicate su larga scala13. La resistenza alla corrosione ad alta temperatura degli acciai F/M è scarsa14. Lo spessore della pellicola di ossido sull'acciaio T22 era superiore a 32 μm dopo 200 ore di esposizione a 550 °C sCO29. Per gli acciai inossidabili austenitici e gli acciai F/M esposti ad ambienti a bassa temperatura (come l'acqua subcritica), sulla superficie si formano strati di ossido contenenti Cr2O3 e Cr, che svolgono il ruolo protettivo più importante15. Ma la stabilità di questi film di ossido di cromo nella sCO2 ad alta temperatura è ancora insufficiente10,16,17,18. Sulla superficie degli acciai inossidabili 310 e 316 esposti a sCO2 per sole 500 h10 sono state osservate un'ampia spallazione del film di ossido e molte porosità, che non possono soddisfare i requisiti per le applicazioni nei reattori nucleari raffreddati a sCO2, in particolare i materiali di rivestimento.

Per risolvere questo problema, è necessario un materiale che non solo possieda un'elevata resistenza all'ossidazione in sCO2, ma mantenga anche i vantaggi di una facile lavorazione e di un basso costo. Pertanto, gli acciai inossidabili austenitici formanti allumina (AFA), inizialmente sviluppati per migliorare la resistenza al creep19,20,21,22,23,24 hanno attirato sempre più attenzione. Precedenti ricerche hanno dimostrato che l’aumento di massa degli acciai AFA in aria a 800 °C25 e in acqua supercritica26 è piuttosto basso perché si è formato uno strato continuo di Al2O3. L'allumina (Al2O3) possiede un reticolo di tipo corindone, che è uguale a Cr2O3, mentre la stabilità termodinamica di Al2O3 è maggiore22 e si prevede che offra una migliore protezione ai materiali27,28,29 esposti ad alte temperature e ad ambienti corrosivi. Pint et al.30 hanno confrontato la compatibilità della pressione di CO2 di diverse leghe strutturali commerciali a base di Fe e Ni e hanno scoperto che il guadagno di massa dei materiali contenenti Al era il più basso. Il film di ossido di AFA-OC6 nella sCO2 era composto principalmente da Al2O3 e (Cr, Mn)3O4 sottili e continui a basse temperature o dopo un breve tempo di esposizione, mentre il film di ossido mostrava una struttura multistrato complessa all'aumentare della temperatura e del tempo di esposizione31. Inoltre, con l'aggiunta di Al, la formazione di fasi Ni-Al20,21,22,23,24,32,33 nei materiali aumenta anche la resistenza al creep dei materiali, il che in futuro migliorerà il potenziale di applicazione degli acciai AFA in alto- temperatura ambiente sCO2. La resistenza generale alla corrosione degli acciai è stata migliorata anche nell'eutettico piombo-bismuto con l'aumento dell'aggiunta di Al, mentre il film continuo di ossido ricco di Al si è formato solo quando la concentrazione di ossigeno era bassa34,35.