Estudo do recolhimento superficial de ligas de zircônio para mitigação do desgaste em varetas combustíveis

Abstract

Resumo: Esse estudo teve como objetivo o recobrimento de ligas de zircônio pelos sistemas Zr-Al e Zr-Ni-Al para formar regiões intermetálicas pelo processo de cementação, Halide Activated Pack Cementation – HAPC, almejando níveis satisfatórios de resistência aos desgastes mecânicos, comparando o fenômeno nas ligas de zircônio com e sem o recobrimento. Os sistemas Zr-Al e Zr-Ni-Al foram testados no intervalo de temperaturas de 600°C a 1000°C na fase exploratória. As amostras de substratos de zircaloy-4, com recobrimento de níquel formando novo substrato e sem recobrimento de níquel, foram imersas em uma mistura de pó de alumina, alumínio e os ativadores NH4Cl, NaF, KCl e NaCl, em seguida processadas via HAPC em fornos com temperaturas de 600°C, 650°C, 700°C, 800°C, 900°C e 1000°C e tempos de 4, 9, 16, 24, 25, 36, 72 e 96 horas. Posteriormente em função dos resultados obtidos, os parâmetros de processamento foram otimizados com a utilização do ativador CrCl3 e na temperatura de 600°C. Foram estudadas a dureza superficial do recobrimento e a verificação de fragilidade pela identificação de potenciais formações de imperfeições, como poros, trincas ou fraturas visíveis. Experimentos de desgastes mecânicos com as amostras recobertas no sistema Zr-Al foram realizados com percursos de ensaios de até 4000m em um equipamento de tribologia adaptado para as amostras, com tempo de ensaio de até 6h:30min. As medições das massas antes e após os ensaios permitiram obter os coeficientes de desgaste que assumiram valores da ordem de 10-5 a 10-4 mm3/m para o sistema Zr-Al. O estudo também permitiu identificações de algumas fases e confirmações dessas fases por técnicas mais apuradas como as técnicas de MEV/EDS e difração de raios-x, consolidando a direção correta do estudo. Os resultados foram considerados satisfatórios e promissores, principalmente porque o desenvolvimento ainda é preliminar na área nuclear brasileira para os sistemas Zr-Al e Zr-Ni-Al no recobrimento de ligas de zircônio.

Abstract: This study aimed at the coating of zirconium alloys by Zr-Al and Zr-Ni-Al systems to form intermetallic regions by the cementation process, Halide Activated Pack Cementation -HAPC, aiming at satisfactory levels of resistance to mechanical wear, comparing the phenomenon in zirconium alloys with and without the coating. The Zr-Al and Zr-Ni-Al systems were tested in the temperature range of 600°C to 1000°C in the exploratory phase. Samples of zircaloy-4 substrates, with nickel coating forming a new substrate and without nickel coating, were immersed in a mixture of alumina powder, aluminum, and the activators NH4Cl, NaF, KCl and NaCl, then processed via HAPC in ovens with temperatures of 600°C, 650°C, 700°C, 800°C, 900°C and 1000°C and times of 4, 9, 16, 24, 25, 36, 72 and 96 hours. Subsequently, depending on the results obtained, the processing parameters were optimized using the CrCl3 activator at a temperature of 600°C. The surface hardness of the coating and the verification of fragility by identifying potential imperfections formation, such as pores, cracks, or visible fractures, were studied. Mechanical wear experiments with the samples coated in the Zr-Al system were carried out with test paths of up to 4000m in a tribology equipment adapted for the samples, with a test time of up to 6h:30min. The measurements of the masses before and after the tests allowed to obtain the wear coefficients that assumed values in the order of 10-5 to 10-4 mm3/m for the Zr-Al system. The study also allowed identification of some phases and confirmations of these phases by more refined techniques such as the SEM/EDS and X-ray diffraction techniques, consolidating the correct direction of the study. The results were considered satisfactory and promising, mainly because the development is still preliminary in the Brazilian nuclear area with the Zr-Al and Zr-Ni-Al systems in the coating of zirconium alloys.