Comportamiento de oxidación en aleaciones de circonio (NanoSIMS)

Investigating oxidation in zirconium alloys with NanoSIMS
El NanoSIMS se ha utilizado para estudiar los mecanismos de oxidación cuando los materiales comerciales ZIRLO™1 y Zircaloy 4 de bajo contenido de estaño son expuestos a entornos corrosivos. Las aleaciones de Zr se oxidaron varias veces (34 días, 80 días y 160 días) en un autoclave para simular las condiciones de un reactor nuclear de agua presurizada (agua pura (+ Li, B) a 360°C y 18 Mpa). Posteriormente se agregaron los marcadores isotrópicos 18O y 2H durante un período adicional de 20 días para revelar los sitios de oxidación activa mediante imágenes de NanoSIMS de secciones transversales cerca de la superficie.

Resultados:
Las transiciones mediadas por la porosidad entre los regímenes de corrosión ocurren en espesores críticos de óxido. Los hidruros estaban presentes en todas las muestras, incluso aquellas con tiempos de oxidación cortos. Se han demostrado pruebas claras de diferentes distribuciones características de 18O antes y después de las transiciones cinéticas, y este comportamiento se ha correlacionado con el desarrollo de porosidad en el óxido que permite que el medio corrosivo penetre localmente en la interfaz de metal/óxido.

Imágenes anteriores: ZIRLO de bajo contenido en estaño: distribución de hidruros con trazador de deuterio. Imágenes de combinación de colores que muestran las ubicaciones relativas de las señales 18O (rojo), 16O (azul) y 2H (verde). Los hidruros (en verde) se encuentran debajo de la interfaz metal/óxido pero se detectó una baja cantidad de deuterio en la capa de óxido.
(A) 34 + 20 días: un óxido protector (en azul) está presente globalmente, bloqueando la penetración de agua 18O (en rojo),
(B) 80 + 20 días: el óxido original, demasiado grueso y agrietado (en azul) no es más protector y ha permitido que el agua 18O (en rojo) alcance y oxide el metal,
(C) 160 + 20 días: esta nueva capa compacta y protectora (inferior en azul) prohíbe la oxidación por el agua 18O.

Este estudio ilustra tres grandes ventajas del NanoSIMS:
  • El NanoSIMS permite navegar y obtener imágenes de áreas de muestra más grandes en comparación con TEM o sonda atómica, lo que brinda una descripción más representativa de la muestra.
  • El NanoSIMS hace posible mapear elementos ligeros como el boro y el deuterio (2H) 2H) incluso a bajas concentraciones.
  • El NanoSIMS permite usar isótopos estables (D, 13C, 18O, 15N,…) para seguir las reacciones químicas en sólidos.
Fuente: Una investigación del comportamiento de oxidación de las aleaciones de zirconio utilizando marcadores isotópicos y SIMS de alta resolución. Sean S. Yardley, Katie L. Moore, Na Ni Jang Fei Wei, Stuart Lyon, Michael Preuss, Sergio Lozano-Perez, Chris R.M. Grovenor. Journal of Nuclear Materials 443 (2013) 436–443.