ACTIVIDADES · Procesado de Materiales Desarrollar la capacidad de fabricar, en el marco del...
Transcript of ACTIVIDADES · Procesado de Materiales Desarrollar la capacidad de fabricar, en el marco del...
CIEMATP.FernándezT.Hernández
UPMM.Victoria
USC.Arévalo
ACTIVIDADES
UC3MM.A.AugerV.deCastroM.EddahbiT.LegueyJ.MarBnezM.A.MongeA. MuñozR.ParejaG.SalmiB.Savoini
MATERIALESDEFUSIÓN• Los materiales de la primera pared enfrentados al plasma: Plasma
Facing Materials, PFMs
• Los materiales estructurales: integrantes de la primera pared, la cámara de vacío, los componentes del sistema de refrigeración, etc
• Los materiales funcionales: breeder, refrigerante, multiplicador de neutrones, materiales cerámicos
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
Desarrollar la capacidad de fabricar, en el marco del Programa Europeo,materialesdeinterésenfusión
ProduciryprocesarmaterialesrequeridosporlosusuariosdeTechnoFusión
Fabricarmaterialesestructurales:aceros,aleacionesmodeloFe‐Cr,V‐Ti,etc(2‐50Kg)
ProduciraleacionesdeFe‐CrODS,yaleacionesODSynoODSdeWporHIP,SPS
Fabricarcerámicasmul[funcionalesyrealizarunionescerámica/metalporHIPySPS.
Fabricar recubrimientos deW y cerámicasmul[funcionales por la técnica deVPP,SPS
Procesarmaterialesmediantetratamientostermo‐mecánicosydedeformaciónsevera
OBJETIVOSDELAPPM:
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
MATERIALES• AcerosODSynano‐estructurados• AleacionesdeFe‐Cr,ODSynoODS• AleacionesdeW(ODS)• Materialesiónicos:…….• Materialesfuncionales;FGMs• Recubrimientos
TÉCNICAS• VIM(vacuuminducRonmelRng)• HIP(hotisostaRcpressing)• SPS(sparkplasmasintering)• Sinterizaciónconvencional;enH2• Plasmasprayenvacío(VPS)
PRODUCCIÓN
TÉCNICASDEPROCESADO
Producción: Horno VIM
Termo‐mecánicas: Forja Extrusión/ECAP Swaging Laminado Tratamientostérmicos
Polvos: Atomización(externa) Aleadomecánico CIP
Producción: HIP SPS
Sinterizado VPS
MATERIALES DE ESTUDIO
TÉCNICASDEPRODUCCIÓN
1erNivel FABRICACIÓN DE MATERIALES BASE
Requerimientos:
Produccióndealeacionesdealtapureza Can[dadesde∼2‐50kg Lingotesycoladacon[nuaenbarras,láminas,…
HORNO DE INDUCCIÓN EN VACIO (VIM)
Materiales:
Aceros Fe‐Cr Otrasaleaciones
Procesado:
Tratamientostermomecánicos
Atomización(externo)
TÉCNICASDEPRODUCCIÓN
2oNivel SINTERIZAR, UNIR Y RECUBRIR, “FUNCIONALIZAR”
Requerimientos:
AltasTyp,vacíoyatmósferacontrolada
Metálicoseiónicos
HORNOS: HIP SPS SINTERIZACIÓN CONVENCIONAL/VACÍO/H2 VPS
Materiales: AleacionesODSnano‐estructuradas AleacionesdeW Iónicos(carburos,nitruros,…) Soldar/unir/funcionalizar
Procesados: Atomización(externo) Aleadomecánico Compactaciónenfrío(CIP)
PROCESADOPRIMARIO FUNDICIÓN
PROCESADO“REMELTING”
PROCESADOFINAL
VIM• Forjado• Laminado• Extrusión• Swaging
• Barra• Tocho• Chapa• Varilla…..
• Refino• Controldecomposición
• Controlmacroestructural• Controlmicroestructural
ATOMIZACIÓN
“CASTING”
VAR“VacuumArcRemel[ng”
EBR“ElectronBeamRemel[ng”
“SPRAYFORMING”
ALEADOMECÁNICO+
HIP/EXTRUSIÓN+
FORJADO/LAMINADO
RECUBRIMIENTOS• Barrerastérmicas
• Plasmaspray
• Mejoradepropiedades• Fabricacióndepiezas• Aplicacionesespecíficas
AplicacionesdelatécnicaVIMenelprocesadoyfabricacióndemateriales
HORNOVIMCARACTERÍSTICAS:• Produccióndealeacionesdealtapureza,concomposicióncontrolada,enaltovacíooatmosferainertelibre
deoxígeno.• Desgasificación efec[va y ajuste preciso de la composición del melt por control independiente de la
temperatura,vacío,atmósfera,presiónytransportedemasa.• Aplicacionesdeinves[gación(1–100kg).
VENTAJAS:• Seevitalaoxidacióndeelementosreac[vosysereducelaformacióndeparBculasdeóxidos• Buencontroldelacomposiciónydelcontenidodeelementosconaltapresióndevapor• Seeliminanimpurezasgaseosas:O,N,H,…• Seeliminanimpurezasvolá[les:Sb,Bi,Se,Te,….• Homogeneizacióndelacomposición• Cargamasivaofinaduranteoperación
OPCIONALMENTE:• Controldelaatmósfera• Homogeneizaciónmedianteagitaciónelectromagné[caogas• Controlprecisodelatemperaturaparaevitarreaccionesdelmeltconelcrisol• Cas2ngestá[co,con[nuo,oporcentrifugación• Controldelcas[ngeliminandoescoriayóxidos• Pirometríaóp[ca
CONFIGURACIONES:• Horizontalconpuertafrontal• Ver[calconaperturaenlapartesuperior
HORNOVIMCARACTERÍSTICAS:• Produccióndealeacionesdealtapureza,concomposicióncontrolada,enaltovacíooatmosferainertelibre
deoxígeno.• Desgasificación efec[va y ajuste preciso de la composición del melt por control independiente de la
temperatura,vacío,atmósfera,presiónytransportedemasa.• Aplicacionesdeinves[gación(1–100kg).
VENTAJAS:• Seevitalaoxidacióndeelementosreac[vosysereducelaformacióndeparBculasdeóxidos• Buencontroldelacomposiciónydelcontenidodeelementosconaltapresióndevapor• Seeliminanimpurezasgaseosas:O,N,H,…• Seeliminanimpurezasvolá[les:Sb,Bi,Se,Te,….• Homogeneizacióndelacomposición• Cargamasivaofinaduranteoperación
OPCIONALMENTE:• Controldelaatmósfera• Homogeneizaciónmedianteagitaciónelectromagné[caogas• Controlprecisodelatemperaturaparaevitarreaccionesdelmeltconelcrisol• Cas2ngestá[co,con[nuo,oporcentrifugación• Controldelcas[ngeliminandoescoriayóxidos• Pirometríaóp[ca
CONFIGURACIONES:• Horizontalconpuertafrontal• Ver[calconaperturaenlapartesuperior
HORNOVIM
Aplicaciones: Consolidarysinterizar AleacionesODS Unir(recubrimiento,soldadura,…) Ceramicasestructuralesyfuncionales
HORNOHIPQIH21AVURE
Caracterís\cas: Temperatura2200ºC Presión414MPa(60.000psi) Zonacaliente∅250mm×900mm Lingotesdemásde5kg
SparkPlasmaSinteringFurnaceHPD125Caracterís\cas: Molde∅200mm×300mm Fuerza250kN Corriente30kA Tmax2200ºC
Aplicaciones: Consolidarysinterizar AleacionesODS Unir(recubrimiento,soldadura,…) MaterialesFGM,composites Ceramicasestructuralesyfuncionales Materialesnano‐estructurados
VACUUMPLASMASPRAY
Caracterís\cas: Volumendecámara4m3 Longituddelainyeccióndelplasma2m Diametro∅200‐400mm 4inyectores Potencia180kW Areaderecubrimientohasta700×700mm2
Espesores20µm–2mm
Coste:
Aplicaciones: Recubrimientos FGM
ACTIVIDADES(2009/10)
Establecer contactos con laboratorios interesados en la producción de materiales para fusión.
Mantener actualizada la información sobre las actividades relacionadas con la fabricación y procesado de materiales de fusión.
Formar especialistas en estas técnicas de producción y procesado.
Participar en las actividades de fabricación y procesado de materiales propuestas dentro del programa europeo de materiales de fusión.
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
Contactos con laboratorios interesados en materiales de fusión
• Consorcio FEMaS-CA (Fusion Energy Materials Science, FP7 Coordination Action)mailto:hep://www.femas‐ca.eu/main/main.php
Actividades del APPM
• Departamento de Materiales. Universidad de Oxford (R.U.) - Técnicas de microanálisis por TEM, HRTEM, STEM - Análisis mediante sonda atómica (APT, Atom Probe Tomography)
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
Contactos con laboratorios interesados en materiales de fusión
• Grupo del Prof. R. Faulkner, Departamento de Materiales. Universidad de Loughborough (R.U.)
- EUROFER ODS: aleado mecánico, consolidación por HIP, procesado ECAP y preparación probetas
• Grupo de Dr. N. Baluc, Fusion Materials. CRPP-PSI, Villigen (Suiza) - Técnicas del procesado de aleaciones de W
• Dr. M. Rieth, IMF I-FZK. Karlsruhe (Alemania) - Suministro de muestras de aleaciones de W
• Dr. P. Trocellier, CEA-JANUS, Saclay (Francia) - Muestras de Fe-12Cr y ODS Fe-12Cr para irradiación en JANUS ‐ 10MeV56Fe4+;16dpa
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
Actividades relacionadas con técnicas de fabricación y procesado de materiales de fusión.
• Visita a FCT GmbH en Rauenstein (Alemania) • Pruebas de fabricación de materiales con Spark Plasma Sintering (SPS)
Materiales: W-4V; W-1La2O3; W
Fe-14Cr; Fe-14Cr-0.3Y2O3 (ODS)
Fe-12Cr; Fe-12Cr-0.3Y2O3 (ODS)
Fe-14CrFe-14Cr ODS
W-1La2O3W-4V
40mm
Condiciones:
T=1100oC;p=35MPa
T=2000oC;p=36MPa
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
Formación especialistas en:
• Aleado mecánico de aleaciones ODS (Oxide Dispersion Strengthened) • Consolidación por HIP (Hot Isostatic Pressing) • Procesado mediante ECAP (Equal Channel Pressing) • Técnicas de microanálisis por TEM • Análisis mediante APT
Actividades de fabricación y procesado de materiales dentro del programa europeo de materiales de fusión
• Producción de aleaciones Fe-14Cr (ODS) nano-estructuradas • Fabricación de aleaciones de W • Procesado mediante ECAP de EUROFER y Fe-14Cr ODS • Análisis de los materiales producidos:
- Técnicas de microanálisis por TEM, HRTEM, EF-TEM, … - Análisis mediante APT
Thepowderswerecannedanddegassedat823Kfor24h.AvertheHIPtreatmentat∼1323K and200MPafor2h, the ingots were forged(∼1323KforFe‐14Crand∼1373KforODS‐Fe‐14Cr‐0.3Y2O3)
Fe‐14Cr‐0.3Y2O3
Fe‐14Cr
Forged
BeforeHIP
AlerHIP
ODSFe14CrmilledinHe:Produc\onprocess
SEMmicrographsofthealloyedpowders
100µm
100µm
∼0.35kgofmaterial
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
ODSFe14CrmilledinHe:Microstructuralcharacteriza\onandmechanicalproper\es
ForgedFe‐14Crheattreatedat1123Kfor2h
ForgedODS‐Fe14Crheattreatedat1123Kfor2h
1) Duplexgrainstructure:largeferritegrains(∼3‐7µm)+submicronferritegrains(∼380nm).
2) Cr‐rich precipitates (∼ 50 ‐ 400 nm),distributed inside the large ferrite grains andalignedalonggrainboundaries.
3) Smallvoids(likelycontainingentrappedgas).
1) Homogeneoussubmicron structureof ferri[cgrains,apparentlyunrecovered(∼360nm).
2) Uniformdistribu[onofCr‐richprecipitates.
3) DispersionofY‐Orichnanopar[cles.
4) Voids also observed, frequently associated tothenanopar[cles.
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
ODSFe14CrmilledinHe:Nanopar\clecharacteriza\onbyEF‐TEM
Particle density: (0.10±0.02)x1023 m-3 - (1.5 ± 0.3)x1023 m-3.
Particle chemistry: All the studied nanoparticles were Y-rich. Most particles had a core-shell structure consisting of an Y-O rich core and a Cr-rich shell.
Mechanical properties:
BF Y N2,3
Cr M2,3 O K
EF-TEM series showing nanoparticles with a core-shell structure in the ODS/Fe14Cr alloy.
BF Y N2,3
Cr M2,3 O K
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
Y atoms YO ions CrO ions
20 n
m
20 n
m
20 n
m
ODSFe14CrmilledinHe:AtomProbeTomography
Averyhomogeneousdispersionofnanopar[clesofcomplexY‐Croxidesisobtainedapplyingthepresentprocessingroute.
TheAPTresultsareinagreementwiththeEF‐TEMimages
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
Fabrica\onofWalloysbyHIP
Alloys
W-1%La2O3
W-4%V-1%La2O3
W-4%V
W-2%V
FABRICATION PROCEDURE
Mechanical Alloying Blending
Canned +
Degassed
HIP 1573 K,
2h, 195 MPa
43 mm
Mechanical alloying
• WC vessel & WC balls (∅ 10 mm)
• Ball-powder ratio: 4:3
• 10 hours in pure Ar
∼0.8kg
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
Fabrica\onofWalloysbyHIP
W-4V-1La2O3 La
W
V
W-4V
Alloy ρtheo (g/cm3)
ρexp/ρtheo (%)
W-1La2O3 18.9 90.6
W-4V-1La2O3 17.3 97.7
W-4V 17.7 98.1
W-2V 18.5 95.6
TheVaddi[ontoWfavorsHIPsintering
FineVpoolsappearinW‐Valloysdistributeduniformly
LainW‐4V‐1La2O3isfoundhomogeneouslydistributedintheWmatrix
InW‐1La2O3theoxideisfoundlocalizedinpoolswithpores.
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
EUROFER procesado por ECAP a 823 K
• Refina el grano a < 500 nm (8 pasadas)
• Mejora relativa de las propiedades mecánicas
ÁreadeProduccióny
ProcesadodeMateriales
CIEMATP.FernándezT.Hernández
UPMM.Victoria
USC.Arévalo
UC3MM.A.AugerV.deCastroM.EddahbiT.LegueyJ.MarBnezM.A.MongeA. MuñozR.ParejaG.SalmiB.Savoini