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Aufklärung des Mechanismus von Schutzschichten auf Fusionsreaktoren, die sich nicht ablösen

Tokioter Institut für Technologie

Bild: (a) Rastertransmissionselektronenmikroskop-Bild; (b) Energiedispersives Röntgen (EDX)-Elementkartierungsbild von Aluminium und Sauerstoff; (c) Elementkartierungsbild von Titan, Yttrium und Zirkonium durch EDX-Analysemehr sehen

Bildnachweis: Außerordentlicher Professor Masatoshi Kondo

Fusionsreaktoren, schnelle Brutreaktoren und solarthermische Kraftwerke werden als Kraftwerke mit geringer Umweltbelastung und ohne Ressourcenbeschränkungen entwickelt. Da diese Kraftwerke bei hohen Temperaturen und großer Wärmeübertragung arbeiten, untersuchen Wissenschaftler den Einsatz von Komponenten, die flüssiges Metall (mit ausgezeichneter Wärmeübertragungsleistung) als Kühlmittel verwenden. Die Flüssigmetalldecke (eine im Kern installierte Metallwand) und der Flüssigmetall-Divertor (nimmt Wärme auf und leitet Abgase ab) gehören zu den wichtigsten Komponenten von Fusionsreaktoren und haben als innovative Geräte zur Energieumwandlung Aufmerksamkeit erregt. Allerdings war die Auswahl von Strukturmaterialien, die mit flüssigen Hochtemperaturmetallen chemisch kompatibel sind, eine Herausforderung.

Der außerordentliche Professor Masatoshi Kondo vom Tokyo Institute of Technology hat flüssige Metallkühlmittel untersucht und deren chemische Korrosionsbeständigkeit mit führenden Strukturmaterialien untersucht. Er fand heraus, dass die Ursache für Korrosion das Auslaugen metallischer Bestandteile aus Materialien ist, die mit flüssigem Metall in Kontakt kommen, sowie die Legierungsbildung von flüssigem Metall und Stahlwerkstoffen. In diesem Zusammenhang stellte er fest, dass die Korrosion durch die Bildung einer kompakten schützenden Oxidschicht auf der Oberfläche von Strukturmaterialien aus Flüssigmetallkomponenten erheblich reduziert werden kann. Die Bildung einer stabilen schützenden Oxidschicht, die eine solche Korrosion verhindert, ist der Schlüssel zur Verwirklichung von Komponenten auf Flüssigmetallbasis.

Das gemeinsame Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Kondo konzentrierte sich in Zusammenarbeit mit der Yokohama National University und dem National Institute for Fusion Science auf die Tatsache, dass oxiddispersionsverstärkte (ODS) FeCrAl-Legierungen eine α-Al2O3 (Alpha-Aluminiumoxid)-Schicht bilden, die aus a besteht kompakte Struktur und identifizierte Faktoren, die das Schichtwachstum fördern können, sowie der Mechanismus, der verhindert, dass sich die Schicht vom Substrat ablöst.

Die α-Al2O3-Schicht bietet hervorragenden Schutz in Hochtemperatur-Flüssigmetallumgebungen. Die ODS-Legierung Fe15Cr7Al ​​weist eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit auf und ist ein potenziell starkes Strukturmaterial für Kraftwerke der nächsten Generation. Die Legierung kann 10 Stunden lang bei 1000 °C an der Luft oxidiert werden, um eine α-Al2O3-Schicht zu bilden. Abbildung 1 zeigt ein Querschnittsmikroskopbild der auf der ODS-Fe15Cr7Al-Legierung gebildeten α-Al2O3-Schicht und die Verteilung ihrer Bestandteile. Obwohl es nur 1,28 Mikrometer dick ist, etwa 1/80 der Dicke eines menschlichen Haares, hat es eine äußerst kompakte Struktur mit gleichmäßiger Verteilung von Aluminium und Sauerstoff, wie in Abbildung 1(b) dargestellt. Gleichzeitig stellte das Team fest, dass sich in der α-Al2O3-Schicht Oxide reaktiver Elemente wie Ti, Y und Zr bildeten, wie in Abbildung 1(c) dargestellt. Dies liegt daran, dass die reaktiven Elemente, die in der Mikrostruktur der ODS-Fe15Cr7Al-Legierung als winzige Oxidpartikel dispergiert sind, in die Schicht eingewandert sind und dort Oxide bilden. Ein Vergleich der Mikrostruktur und Wachstumsrate der Oxidschicht, die durch verschiedene Arten von FeCrAl-Legierungen gebildet wird, zeigt, dass Legierungen ohne reaktive Elemente diese Oxide nicht in der Schicht bilden und ihr Schichtwachstum langsam ist. Diese länglichen Oxide reaktiver Elemente fungieren als „Nur-Sauerstoff-Diffusionspfad“, der das Schichtwachstum fördert und die Barriereeigenschaften verbessert (Abbildung 2).

Die Schutzschicht muss gegen Abblättern beständig sein. In dieser Studie führte das Team einen Kratztest an der auf der ODS-FeCrAl-Legierung gebildeten α-Al2O3-Schicht durch, um die Größe der Kraft zu messen, die erforderlich ist, um die Schicht mit einer scharfen Nadel zu zerkratzen und abzulösen. Die Ergebnisse zeigen, dass die ODS-FeCrAl-Legierung hervorragende Haftungseigenschaften aufweist. Der Mechanismus, durch den die α-Al2O3-Schicht gegen Abblättern beständig wird, ist in Abbildung 2 zusammengefasst. Erstens greifen die Oxide reaktiver Elemente, die sich vom Substrat zur Schicht hin bilden, fest in die Mikrostruktur der Schicht ein, wie Heringe, mit denen ein Zelt befestigt wird, und tragen zur verbesserten Haftfestigkeit bei. Dies wird als Pegging-Effekt bezeichnet.

Zwischen der α-Al2O3-Schicht und dem Substrat bildete sich eine instabile Grenzfläche mit gezackter Struktur. Wie in Abbildung 3(a) dargestellt, nimmt die Tiefe dieser gezackten Grenzfläche zu, je dicker die Schicht wird. Darüber hinaus ist, wie in Abbildung 3(b) gezeigt, die Scherspannung, die zum Ablösen der α-Al2O3-Schicht erforderlich ist, umso größer, je tiefer die gezackte Grenzfläche ist, dh desto stärker ist die Haftfestigkeit der Schicht. Bei dem oben beschriebenen Muster mit dem Sauerstoffdiffusionspfad wird das Schichtwachstum auf mäßig ungleichmäßige Weise gefördert, was zu einer tieferen, gezackten Grenzfläche und einem starken Verankerungseffekt führt. Es gibt andere Methoden zur Bildung von Oxid- und anderen Schichten durch eine Lösung, aber im Vergleich zu solchen Methoden weisen die in dieser Studie gebildeten Schichten eine stärkere Haftung auf und können mit der kompakten Struktur dem Fluss flüssiger Metalle standhalten.

Die Entwicklung einer kompakten, abziehfesten Barrieretechnologie bietet vielversprechende Aussichten für die Verlängerung der Lebensdauer von Flüssigmetallkomponenten wie Flüssigkeitsdecken und Divertoren. Es wird erwartet, dass die Implementierung der Flüssigmetalltechnologie in fortschrittlichen Kraftwerken wie Fusionsreaktoren sowie in Entsalzungs- und Umweltreinigungstechnologien die Schaffung einer CO2-neutralen Gesellschaft vorantreiben wird.

Oberflächen- und Beschichtungstechnik

10.1016/j.surfcoat.2023.129787

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Hervorragende Haftung der schützenden α-Al2O3-Schicht auf ODS-FeCrAl-Legierungen

6. Juli 2023

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