Publication: Nuevas formulaciones de aceros ODS de alto rendimiento
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Publication date
2021-06
Defense date
2021-07-19
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Abstract
The present thesis work is englobed within the contemporary world’s energetic circumstances,
and their associated effects on the climate change phenomenon. Because humanity currently
lacks secure, cheap, large-scale, and reduced carbon substitutes to fossil fuels, new strategies
must be developed to ensure power production to the growing and developing population, while
at the same time, this production is capable of avoiding greenhouse gas emissions. In this regard,
the renewable energies or the fusion nuclear powerplants have risen as potential options able to
overcome these challenges, however their full implementation is still far from realisation. Thus,
the development and enhancement of state-of-the-art nuclear and/or low CO2 emission
powerplants have been encouraged to support this transition from the actual fossil fuels-based
scenario to a cleaner sustainable prospect in which the world is no longer dependant on these.
In this context, this investigation has focused on the research and processing of candidate
materials able to conform these new energy-generation plants, which exhibit improved efficiency
values due to the higher working temperatures and system pressures. These conditions together
with other features, such as irradiation or corrosion phenomena, promote the establishment of
aggressive environments that the materials have to properly withstand. Therefore, the
development of high-performance materials is essential, and the proposed ones in this thesis
work have been the oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic steels (FS). These alloys exhibit
remarkable mechanical, corrosion, and irradiation resistance due to the finely dispersed
nanometric oxides within the ferritic matrix.
From a compositional point of view, four new ODS FS alloys have been processed employing a
powder metallurgy (PM) route that enables the achievement of advanced microstructures that
can excellently perform under more extreme working conditions. Being one of these steels a
reference ODS steel widely used in the industry, additions of B or/and another oxides-formers’
carrier that has improved the oxides’ precipitation (Y-Ti-Zr-O) have been included in the other 3
ODS steels’ composition to enhance their performance. The B has affected the carbides’
morphology inside the steels improving the steels’ creep performance, whereas the Y-Ti-Zr-O
compound has been synthesized by co-precipitation with the aim of increasing the precipitates’
density in the steels, enhancing their mechanical behaviour.
All the steels have endured the same manufacturing conditions, starting with a mechanical alloy
(MA) of the powders where a heavy plastic deformation has been induced on the milled powders
increasing the dislocations’ density, while all the starting powders have been homogenously
segregated. The consolidation of these powders has been carried out through spark plasma
sintering (SPS), technique that has reached almost-full densifications and has hindered the grain
growth in the consolidated steels.
The processed ODS FS microstructural characterisation has been performed through different
techniques which have examined several features such as the attained bimodal grain distribution
in the steels or the carbides’ distribution at a micrometric level. Besides, following transmission
electron microscopy (TEM) explorations, an assessment of the nano-precipitates’ main
characteristics has been developed; the size, density, nature, and thermal stability have been
studied in all the ODS FS. The Y-Ti-Zr-O-containing steels have displayed increased oxides’
densities in these investigations.
A mechanical characterisation of the manufactured ODS FS has been fulfilled at both room
temperatures (RT) and high temperatures (HT). Performing microhardness and microtensile tests,
an improvement on the mechanical properties of the steels with Y-Ti-Zr-O has been detected. Regarding the HT mechanical behaviour, small punch (SP) and small punch creep tests (SPCT) have
dealt with these properties, showing a remarkable enhancement of the creep performance of the
steels with B and Y-Ti-Zr-O inclusions. Besides, a mathematical correlation has been established
between the ODS ferritic steels’ microstructural features and their correspondent mechanical
strengthening contributions to explain how the variations in composition have affected the final
mechanical performance by altering the steel’s microstructure.
Finally, the oxidation resistance at HT and the compatibility of the steels with metallic coolants
(Pb and Pb-Bi alloy) have been addressed. This way, the steels’ surface stability and its protective
nature have been checked.
In the end, the cost-efficient PM route and the excellent performance of the developed ODS FS
in this thesis work show their plausible application as advanced materials in the future highperformance
powerplants’ components.
La presente tesis se engloba dentro de la actual situación energética mundial y sus efectos asociados sobre el cambio climático. Debido a que, en la actualidad, la humanidad carece de alternativas seguras, baratas, a gran escala y de bajas emisiones frente a los combustibles fósiles, se deben desarrollar nuevas estrategias que garanticen el abastecimiento de energía a la población en desarrollo, mientras que, al mismo tiempo, esta generación de energía no produzca altas emisiones de gases de efecto invernadero. En este sentido, las energías renovables o las centrales nucleares de fusión se han planteado como opciones potenciales capaces de superar estos retos, sin embargo, su plena implementación aún está lejos de concretarse. Por lo tanto, se han alentado el desarrollo y la mejora de centrales nucleares y/o de bajas emisiones de CO2 de última generación para respaldar esta transición desde el escenario actual basado en los combustibles fósiles a una perspectiva sostenible más limpia en la que el mundo ya no sea dependiente de estos. En este contexto, este trabajo se ha centrado en la investigación y procesamiento de materiales candidatos a conformar estas nuevas plantas de generación de energía, las cuales tendrán una mayor eficiencia debido a las mayores temperaturas de servicio y presiones del sistema. Estas condiciones junto con otros fenómenos de irradiación o corrosión generarán ambientes agresivos que los materiales deben soportar adecuadamente. Por tanto, el desarrollo de materiales de alto rendimiento es fundamental, y los propuestos en este trabajo de tesis han sido los aceros ferríticos reforzados por dispersión de óxidos (ODS). Estas aleaciones exhiben una notable resistencia mecánica, a la corrosión y a la irradiación debido a los óxidos nanométricos dispersos dentro de su matriz ferrítica. Desde el punto de vista de la composición, se han procesado cuatro nuevas aleaciones de aceros ferríticos ODS empleando una ruta de pulvimetalurgia que permite desarrollar microestructuras avanzadas que pueden funcionar de manera excelente en las condiciones de trabajo más extremas. Uno de estos aceros actuará de referencia ya que ha sido bastante utilizado en la industria, mientras que en los otros 3 se han incluido adiciones de B u/y otro compuesto portador de los formadores de óxidos que ha mejorado la precipitación de estos (Y-Ti-Zr-O). El B ha afectado la morfología de los carburos dentro de los aceros mejorando la fluencia de los aceros, mientras que el compuesto Y-Ti-Zr-O ha sido sintetizado por coprecipitación con el objetivo de incrementar la densidad de los precipitados en los aceros, mejorando su comportamiento mecánico. Todos los aceros han sido procesados siguiendo la misma ruta, comenzando con una aleación mecánica de los polvos donde se ha inducido una alta deformación plástica en los polvos molidos aumentando su densidad de dislocaciones, mientras que todos los polvos de partida se han segregado de manera homogénea. La consolidación de estos polvos se ha realizado mediante spark plasma sintering (SPS), técnica que ha conseguido densificaciones casi completas y ha evitado un alto crecimiento de grano en los aceros consolidados. La caracterización microestructural de los aceros procesados se ha realizado a través de diferentes técnicas que han examinado varias características como la distribución de grano bimodal lograda en los aceros, así como la distribución de los carburos a nivel micrométrico. Además, tras las exploraciones de TEM, se han evaluado las principales características de los nanoprecipitados; parámetros como su tamaño, densidad, naturaleza y estabilidad térmica han sido estudiados en todos los aceros ODS. Aquellos que han incluido el óxido complejo de Y-Ti-Zr- O en su composición han mostrado mayores densidades de óxidos. A continuación, se ha realizado una caracterización mecánica de los aceros ODS tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas. Realizando ensayos de microdureza y microtracción, se ha detectado una mejora en las propiedades mecánicas de los aceros con Y-Ti- Zr-O. En cuanto al comportamiento mecánico a altas temperaturas, los ensayos de small punch (SP) y small punch creep tests (SPCT) han estudiado estas propiedades, mostrando una excelente mejora del comportamiento frente a fluencia de los aceros con inclusiones de B e Y-Ti-Zr-O. Además, se ha establecido un modelo matemático que correlaciona las características microestructurales de los aceros ODS y sus correspondientes contribuciones al endurecimiento para explicar cómo las variaciones en la composición han afectado al desempeño mecánico final al alterar la microestructura del acero. También, se ha abordado la resistencia a la oxidación a altas temperaturas de trabajo, así como la compatibilidad de los aceros con refrigerantes metálicos (Pb y la aleación Pb-Bi). De esta forma se ha comprobado la estabilidad superficial de los aceros y la naturaleza protectora de su superficie externa. Al final, la rentable ruta pulvimetalúrgica y el excelente rendimiento de los aceros ferríticos ODS desarrollados en este trabajo de tesis muestran su plausible aplicación como materiales avanzados en los componentes de las centrales de energía de alto rendimiento del futuro.
La presente tesis se engloba dentro de la actual situación energética mundial y sus efectos asociados sobre el cambio climático. Debido a que, en la actualidad, la humanidad carece de alternativas seguras, baratas, a gran escala y de bajas emisiones frente a los combustibles fósiles, se deben desarrollar nuevas estrategias que garanticen el abastecimiento de energía a la población en desarrollo, mientras que, al mismo tiempo, esta generación de energía no produzca altas emisiones de gases de efecto invernadero. En este sentido, las energías renovables o las centrales nucleares de fusión se han planteado como opciones potenciales capaces de superar estos retos, sin embargo, su plena implementación aún está lejos de concretarse. Por lo tanto, se han alentado el desarrollo y la mejora de centrales nucleares y/o de bajas emisiones de CO2 de última generación para respaldar esta transición desde el escenario actual basado en los combustibles fósiles a una perspectiva sostenible más limpia en la que el mundo ya no sea dependiente de estos. En este contexto, este trabajo se ha centrado en la investigación y procesamiento de materiales candidatos a conformar estas nuevas plantas de generación de energía, las cuales tendrán una mayor eficiencia debido a las mayores temperaturas de servicio y presiones del sistema. Estas condiciones junto con otros fenómenos de irradiación o corrosión generarán ambientes agresivos que los materiales deben soportar adecuadamente. Por tanto, el desarrollo de materiales de alto rendimiento es fundamental, y los propuestos en este trabajo de tesis han sido los aceros ferríticos reforzados por dispersión de óxidos (ODS). Estas aleaciones exhiben una notable resistencia mecánica, a la corrosión y a la irradiación debido a los óxidos nanométricos dispersos dentro de su matriz ferrítica. Desde el punto de vista de la composición, se han procesado cuatro nuevas aleaciones de aceros ferríticos ODS empleando una ruta de pulvimetalurgia que permite desarrollar microestructuras avanzadas que pueden funcionar de manera excelente en las condiciones de trabajo más extremas. Uno de estos aceros actuará de referencia ya que ha sido bastante utilizado en la industria, mientras que en los otros 3 se han incluido adiciones de B u/y otro compuesto portador de los formadores de óxidos que ha mejorado la precipitación de estos (Y-Ti-Zr-O). El B ha afectado la morfología de los carburos dentro de los aceros mejorando la fluencia de los aceros, mientras que el compuesto Y-Ti-Zr-O ha sido sintetizado por coprecipitación con el objetivo de incrementar la densidad de los precipitados en los aceros, mejorando su comportamiento mecánico. Todos los aceros han sido procesados siguiendo la misma ruta, comenzando con una aleación mecánica de los polvos donde se ha inducido una alta deformación plástica en los polvos molidos aumentando su densidad de dislocaciones, mientras que todos los polvos de partida se han segregado de manera homogénea. La consolidación de estos polvos se ha realizado mediante spark plasma sintering (SPS), técnica que ha conseguido densificaciones casi completas y ha evitado un alto crecimiento de grano en los aceros consolidados. La caracterización microestructural de los aceros procesados se ha realizado a través de diferentes técnicas que han examinado varias características como la distribución de grano bimodal lograda en los aceros, así como la distribución de los carburos a nivel micrométrico. Además, tras las exploraciones de TEM, se han evaluado las principales características de los nanoprecipitados; parámetros como su tamaño, densidad, naturaleza y estabilidad térmica han sido estudiados en todos los aceros ODS. Aquellos que han incluido el óxido complejo de Y-Ti-Zr- O en su composición han mostrado mayores densidades de óxidos. A continuación, se ha realizado una caracterización mecánica de los aceros ODS tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas. Realizando ensayos de microdureza y microtracción, se ha detectado una mejora en las propiedades mecánicas de los aceros con Y-Ti- Zr-O. En cuanto al comportamiento mecánico a altas temperaturas, los ensayos de small punch (SP) y small punch creep tests (SPCT) han estudiado estas propiedades, mostrando una excelente mejora del comportamiento frente a fluencia de los aceros con inclusiones de B e Y-Ti-Zr-O. Además, se ha establecido un modelo matemático que correlaciona las características microestructurales de los aceros ODS y sus correspondientes contribuciones al endurecimiento para explicar cómo las variaciones en la composición han afectado al desempeño mecánico final al alterar la microestructura del acero. También, se ha abordado la resistencia a la oxidación a altas temperaturas de trabajo, así como la compatibilidad de los aceros con refrigerantes metálicos (Pb y la aleación Pb-Bi). De esta forma se ha comprobado la estabilidad superficial de los aceros y la naturaleza protectora de su superficie externa. Al final, la rentable ruta pulvimetalúrgica y el excelente rendimiento de los aceros ferríticos ODS desarrollados en este trabajo de tesis muestran su plausible aplicación como materiales avanzados en los componentes de las centrales de energía de alto rendimiento del futuro.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
ODS steels, Mechanical alloying, Spark plasma sintering, Small punch tests (SP)