Corrosión de las aleaciones de aluminio AA6061, AA5052 y AA5083 en medios de baja conductividad

Corrosion of aluminum alloys AA6061, AA5052 and AA5083 in low conductivity media
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TESIS DE DOCTORADO
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Titular
Inventor
Solicitante
Afiliación
Fil.: Linardi, Evelina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto Sabato; Argentina.
Sede CNEA
Centro Atómico Constituyentes
Fecha de publicación
Fecha de creación
2022
Idioma
spa
Nivel de accesibilidad
Condiciones de uso
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Versión
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
Identificador CNEA
ITS/TD 172/22
TD-ITS_EA-2022linardi
Identificador (documentos oficiales)
ISBN
ISSN
Cobertura espacial
Cobertura temporal
Materia INIS
ALEACIONES DE ALUMINIO
CORROSION
OXIDACION
ELEMENTOS COMBUSTIBLES
CORROSION POR PICADURA
REACTORES EXPERIMENTALES
COMBUSTIBLES GASTADOS
CINETICA DE LAS REACCIONES QUIMICAS
POLARIZACION
ENSAYO DE MATERIALES
ALUMINIUM ALLOYS
CORROSION
OXIDATION
FUEL ELEMENTS
PITTING CORROSION
EXPERIMENTAL REACTORS
SPENT FUELS
CHEMICAL REACTION KINETICS
POLARIZATION
MATERIALS TESTING
Palabras clave
AA6061
AA5083
AA5052
Al5N
Al-Fe-Si
Al3Fe
Mg2Si
ATAQUE ALCALINO
PICADO
EIS
ELEMENTOS COMBUSTIBLES MTR
ALMACENAMIENTO HUMEDO DE ECG
ALKALINE ATTACK
PITTING
EIS
MTR-TYPE FUEL ELEMENTS
SFE WET INTERIM STORAGE
Macro-area temática
Formato (extensión)
219 p.
Editor
Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia Área Académica. Gerencia Instituto Sabato
Universidad Nacional San Martin. Instituto de tecnología Sabato
Es parte de
Es parte la serie
Agrupamiento documental - Sección
Agrupamiento documental - Serie
Evaluación académica
Institución académica
Universidad Nacional San Martin. Instituto de Tecnología Sabato
Titulación
Doctor en Ciencia y Tecnología mención Materiales
Fecha de resolución
Fecha de presentación de solicitud
Resolución
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País de registro
Nivel de madurez de la tecnología
Campo de aplicación
Campo de desarrollo
Resumen
En Argentina los elementos combustibles (EECC) gastados en reactores nucleares experimentales, se almacenan en piletas con agua de alta pureza. La aleación de aluminio AA6061 se utiliza para fabricar los EECC, y para otras estructuras en las piletas junto con aleaciones de la serie 5xxx. Debido a que el almacenamiento en agua puede extenderse hasta 60 años, es necesario estudiar los fenómenos de degradación que podrían afectar la integridad de los EECC y demás estructuras, para prevenir la liberación de productos de fisión al medio. El objetivo de esta tesis es estudiar la corrosión de las aleaciones AA6061, AA5083 y AA5052 en las condiciones óptimas requeridas en las piletas: agua de alta pureza a temperatura ambiente; y en una solución que simula una eventual contaminación del sitio: solución de NaCl 0,001 M. Con fines comparativos también se estudió el aluminio de 99,999 % (Al5N). El crecimiento de óxido en las aleaciones AA6061, AA5083 y AA5052 en agua de alta pureza y NaCl 0,001M aireados, ocurre por un mecanismo de disolución del aluminio como aluminato - reprecipitación de hidróxido. La alcalinización debida a la reducción del H+ y el O2 sobre las partículas con hierro presentes en las aleaciones, disuelve la matriz formando especies solubles que luego reprecipitan sobre la superficie como hidróxido. En particular para la AA6061 en ensayos de inmersión en agua a un tiempo de 6 meses, se observó que las penetraciones de hidróxido provocadas por la disolución/reprecipitación alrededor de los intermetálicos con hierro alcanzan valores máximos del orden de 20 μm en agua. Este tipo de corrosión localizada no representa un riesgo para la conservación de los Elementos Combustibles Gastados, ya que dichos valores son despreciables con respecto al espesor de la tapa o cladding de la placa combustible: 0,4 mm. En el Al5N se verifica el mismo mecanismo, excepto que en este material puro los sitios de emergencia de electrones para las reacciones catódicas son las impurezas y defectos en los límites de grano. En la solución de NaCl se encontró que el espesor de óxido formado, tanto en las aleaciones como en el Al5N, es menor que en agua debido a la formación de complejos estables y solubles del tipo Al(OH)xCly, la cual inhibe en parte la reprecipitación del hidróxido. A partir de ajustar un modelo a los datos experimentales de aumento de peso en función del tiempo en ensayos de inmersión de 21 meses de duración, se obtuvieron parámetros para estimar el espesor de la capa de hidróxido formado (fase bayerita) que crecería sobre las aleaciones luego de 60 años de inmersión en piletas con agua desmineralizada. Para las tres aleaciones se estimaron espesores de ~13 μm en agua y de ~7 μm para agua contaminada con cloruro 0,001 M. Las partículas ricas en hierro también influyen en el potencial de picado (EP) de la AA6061. Se demostró mediante análisis estadístico que en cloruro 0,001 M aireado el EP es ~100 mV menor que en la solución desaireada. En el Al5N en la misma solución de cloruro, la presencia de oxígeno no influye en el EP. La mayor susceptibilidad al picado de la AA6061 en solución aireada está relacionada con la cavidad producida por el ataque alcalino, la cual favorece la nucleación de picaduras. La diferencia entre los EP en esta aleación puede explicarse en base al modelo de acidificación localizada. Por otra parte, se estudió el comportamiento de la fase Mg2Si en la AA6061 mediante ensayos de inmersión a potencial de circuito abierto (ECA) y de polarización en soluciones de pH 7 a 14. Se encontró que el magnesio se disuelve de las partículas de Mg2Si a pH menor a 8, mientras que es estable a pH mayor a 9. La disolución es independiente del potencial. Además, se realizaron mediciones de EIS para estudiar el óxido pasivo en la AA6061, y se ajustó un circuito eléctrico equivalente (CEE) a los resultados. Se utilizó un modelo para describir la formación del óxido pasivo, y mediante un tratamiento matemático se relacionaron las ecuaciones que describen el modelo con los parámetros obtenidos del CEE. A partir de éstos, se calculó un gradiente de potencial relacionado al campo eléctrico de 1-5∙106 V/cm, el cual está en buen acuerdo con un proceso de migración a través del óxido pasivo.
In Argentina, the fuel elements (EECC) spent in experimental nuclear reactors are stored in pools with high purity water. AA6061 aluminum alloy is used to manufacture EECCs, and for other structures in pools along with 5xxx series alloys. Because storage in water can extend up to 60 years, it is necessary to study the degradation phenomena that could affect the integrity of the EECC and other structures, to prevent the release of fission products into the environment. The objective of this thesis is to study the corrosion of alloys AA6061, AA5083 and AA5052 in the optimal conditions required in pools: high purity water at room temperature; and in a solution that simulates eventual contamination of the site: 0.001 M NaCl solution. For comparative purposes, 99.999% aluminum (Al5N) was also studied. Oxide growth in alloys AA6061, AA5083 and AA5052 in high purity water and aerated 0.001M NaCl occurs by a mechanism of dissolution of aluminum as aluminate - hydroxide reprecipitation. Alkalinization due to the reduction of H+ and O2 on the iron-containing particles present in the alloys dissolves the matrix forming soluble species that then reprecipitate on the surface as hydroxide. In particular for AA6061, in water immersion tests over a period of 6 months, it was observed that the hydroxide penetrations caused by dissolution/reprecipitation around the intermetallics with iron reach maximum values ​​of the order of 20 μm in water. This type of localized corrosion does not represent a risk for the conservation of the Spent Fuel Elements, since these values ​​are negligible with respect to the thickness of the lid or cladding of the fuel plate: 0.4 mm. The same mechanism is verified in Al5N, except that in this pure material the electron emergence sites for cathodic reactions are the impurities and defects at the grain boundaries. In the NaCl solution, it was found that the thickness of oxide formed, both in the alloys and in Al5N, is lower than in water due to the formation of stable and soluble complexes of the Al(OH)xCly type, which partially inhibits the reprecipitation of hydroxide. By fitting a model to the experimental data of weight increase as a function of time in immersion tests lasting 21 months, parameters were obtained to estimate the thickness of the hydroxide layer formed (bayerite phase) that would grow on the alloys. after 60 years of immersion in pools with demineralized water. For the three alloys, thicknesses of ~13 μm in water and ~7 μm for water contaminated with 0.001 M chloride were estimated. Iron-rich particles also influence the pitting potential (EP) of AA6061. It was shown by statistical analysis that in aerated 0.001 M chloride the EP is ~100 mV lower than in the deaerated solution. In Al5N in the same chloride solution, the presence of oxygen does not influence the EP. The greater susceptibility to pitting of AA6061 in aerated solution is related to the cavity produced by the alkaline attack, which favors the nucleation of pits. The difference between the EPs in this alloy can be explained based on the localized acidification model. On the other hand, the behavior of the Mg2Si phase in AA6061 was studied by immersion tests at open circuit potential (ECA) and polarization tests in solutions of pH 7 to 14. It was found that magnesium dissolves from the Mg2Si particles at pH less than 8, while it is stable at pH greater than 9. The dissolution is independent of the potential. Additionally, EIS measurements were performed to study passive rust on AA6061, and an equivalent electrical circuit (EEC) was fitted to the results. A model was used to describe the formation of passive oxide, and through mathematical treatment the equations that describe the model were related to the parameters obtained from the CEE. From these, a potential gradient related to the electric field of 1-5∙106 V/cm was calculated, which is in good agreement with a migration process through the passive oxide.
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