Estudio cuantitativo y caracterización microestructural de aleaciones metálicas base Zr de interés nuclear en sistemas metaestables binarios de grado comercial

Abstract

En este trabajo se estudiaron, utilizando diferentes técnicas experimentales, aleaciones base Zr de inter ́es nuclear con contenido de impurezas de grado comercial, a saber, Zr 8, 6 % wt. Al, Zr 8, 97 % wt. Al y Zr 1 % wt. Nb. Algunas de estas aleaciones se investigaron en el estado as-received y luego de un tratamiento térmico específico. El objetivo principal establecido en primera instancia fue evaluar los alcances y limitaciones de dos de los métodos comúnmente utilizados para estimar fracciones de fase en estructuras multifásicas complejas, esto es, el análisis cuantitativo de fases por difracción de rayos X y el análisis de imagen, comparando además entre sí ambas metodologías. Para ello, se caracterizaron muestras utilizando las técnicas de Difracción de Rayos X (DRX), Microscopía Optica (MO) y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). Los difractogramas obtenidos fueron refinados por el método de Rietveld a través del software MAUD. Como resultado del procesamiento de los patrones de difracción, se obtuvieron fracciones de fase volumétricas que fueron comparadas con las fracciones de área determinadas por análisis de imagen; estas últimas fueron obtenidas mediante la aplicación del software ImageJ. En las aleaciones bifásicas se comprobó un buen acuerdo entre ambos métodos de cuantificación. Para los casos de aleaciones multifásicas, ambos métodos proveen fracciones de fase que deben ser examinadas en detalle según cada caso en particular y, en algunos casos, es primordial el conocimiento previo de las microestructuras estudiadas. Por otra parte, los resultados experimentales obtenidos en la primera fase de la tesis mostraron evidencias -inesperadas- de la presencia de una fase amorfa en el estado de recepción de las aleaciones Zr-Al. En vista de ello, se decidió profundizar el análisis de dichas evidencias, programándose un conjunto de experimentos de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y observaciones por Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) con el propósito de a esclarecer dichos indicios. Finalmente, la aplicación articulada de las técnicas DRX, DSC y TEM condujo a sugerir muy fuertemente la presencia de una fase amorfa en dichas aleaciones e identificarla con la composición química Zr3Al.

In this work, nuclear-grade Zr-based alloys with commercial-grade impurity content were studied using different experimental techniques, namely, Zr 8, 6 % wt. Al, Zr 8, 97 % wt. Al, and Zr1 % wt. Nb. Some of these alloys were investigated in their as-received state and after a specific heat treatment. The main objective initially set was to evaluate the capabilities and limitations of two commonly used methods to estimate phase fractions in complex multiphase structures, namely, phase quantification by X-ray diffraction (XRD) and image analysis, also comparing both methodologies. To this end, samples were characterized using X-ray Diffraction (XRD), Optical Microscopy (OM), and Scanning Electron Microscopy (SEM). The obtained diffraction patterns were refinedusing the Rietveld method through the MAUD software. As a result of processing the diffraction patterns, volumetric phase fractions were obtained and compared with area fractions determined by image analysis; these were obtained using the Image J software. In the biphasic alloys, the two methods showed consistent results. For the multiphase alloys, both methods provided phase fractions that need to be examined in detail according to each particular case, and, in some cases, prior knowledge of the studied microstructures is essential. On the other hand, the experimental results obtained in the first phase of the thesis showed unexpected evidence of the presence of an amorphous phase in the as-received state of the Zr-Al alloys. In view of this, it was decided to deepen the analysis of these evidences, scheduling a series of Differential Scanning Calorimetry (DSC) tests and Transmission Electron Microscopy (TEM) observations aimed at clarifying these indications. Finally, the integrated application of the XRD, DSC, and TEM techniques strongly suggested the presence of an amorphous phase in these alloys and identified it with the chemical composition Zr3Al.