Sobre o papel do Al/Nb na SCC dos aços inoxidáveis ​​AFA em CO2 supercrítico

npj Materials Degradation volume 6, Número do artigo: 56 (2022) Citar este artigo

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SCC de uma série de aços inoxidáveis ​​AFA com diferentes teores de Al e Nb foram estudados em CO2 supercrítico por SSRT. Os resultados mostram que o elemento Nb desempenha um efeito de precipitação nas propriedades mecânicas, enquanto apresenta poucos efeitos nas propriedades de corrosão. O filme de óxido superficial do material livre de Al consistia apenas de Cr2O3 amorfo e espinélio rico em Cr. Com a adição de Al, as camadas de Al2O3 são formadas e diminui significativamente a difusão do elemento, inibindo assim o início da SCC. Fe3O4 preenche o interior de rachaduras de materiais livres de Al e contendo Al. A camada Al2O3 é formada na ponta da trinca de materiais contendo Al. Como os grãos da matriz são grandes, a camada protetora Al2O3 só pode ser formada na ponta da trinca, o que não pode impedir completamente a difusão externa de íons nas paredes da trinca e seu efeito protetor na propagação da trinca é limitado.

Com as vantagens de alta capacidade de compactação, boa compressibilidade e alta eficiência de transferência de calor1,2, o dióxido de carbono supercrítico (sCO2) tem sido considerado um fluido potencial para diferentes sistemas de energia, como reatores nucleares. O reator nuclear sCO2 refrigerado tornou-se um dos mais promissores reatores nucleares da Geração IV3,4,5,6,7. No entanto, a falha de materiais no ambiente operacional tornou-se gradualmente uma das principais questões que limitam o desenvolvimento do sistema sCO28.

Atualmente, os materiais estruturais e de revestimento convencionais que podem ser usados ​​em reator nuclear sCO2 incluem principalmente aço ferrítico/martensítico (F/M)9, aço inoxidável austenítico10,11 e liga à base de níquel12. Dentre elas, as ligas à base de Ni possuem alto resíduo radioativo, mas seu custo econômico é muito alto para serem aplicadas em larga escala13. A resistência à corrosão em alta temperatura dos aços F/M é baixa14. A espessura do filme de óxido no aço T22 ultrapassou 32 μm após 200 h de exposição a 550 °C sCO29. Para os aços inoxidáveis ​​austeníticos e aços F/M expostos a ambientes de baixa temperatura (como água subcrítica), camadas de óxido contendo Cr2O3 e Cr são formadas na superfície, que desempenham o papel protetor mais importante15. Mas a estabilidade desses filmes de óxido de Cr em sCO2 de alta temperatura ainda é insuficiente10,16,17,18. Espalhamento de grande área do filme de óxido e muitas porosidades foram observadas na superfície dos aços inoxidáveis ​​310 e 316 expostos ao sCO2 por apenas 500 h10, o que não atende aos requisitos para aplicações em reatores nucleares resfriados a sCO2, especialmente os materiais de revestimento.

Para resolver este problema, é necessário um material que não apenas possua alta resistência à oxidação em sCO2, mas também mantenha as vantagens de fácil processamento e baixo custo. Assim, os aços inoxidáveis ​​austeníticos formadores de alumina (AFA) que inicialmente foram desenvolvidos para melhorar a resistência à fluência19,20,21,22,23,24 têm atraído cada vez mais atenção. Pesquisas anteriores mostraram que o ganho de massa dos aços AFA em ar25 a 800 °C e água supercrítica26 é bastante baixo devido à formação de uma camada contínua de Al2O3. A alumina (Al2O3) possui uma rede do tipo corindo, que é a mesma do Cr2O3, enquanto a estabilidade termodinâmica do Al2O3 é maior22 e espera-se que ofereça melhor proteção aos materiais27,28,29 expostos a altas temperaturas e ambientes corrosivos. Pint et al.30 compararam a compatibilidade de pressão de CO2 de várias ligas estruturais comerciais à base de Fe e Ni e descobriram que o ganho de massa de materiais contendo Al era o menor. O filme de óxido de AFA-OC6 em sCO2 era composto principalmente por Al2O3 e (Cr, Mn)3O4 finos e contínuos em baixas temperaturas ou após curto tempo de exposição, enquanto o filme de óxido mostrou uma estrutura multicamada complexa à medida que a temperatura e o tempo de exposição aumentavam31. Além disso, com a adição de Al, a formação de fases Ni-Al20,21,22,23,24,32,33 nos materiais também aumenta a resistência à fluência dos materiais, o que futuramente melhora o potencial de aplicação dos aços AFA em aços de alta ambiente de temperatura sCO2. A resistência geral à corrosão dos aços também foi aumentada no eutético chumbo-bismuto com o aumento da adição de Al, enquanto o filme contínuo de óxido rico em Al formou-se apenas quando a concentração de oxigênio era baixa34,35.