α-Al2O3-Schutzschicht, die sich mit Anker- und Pflockfunktionen an Metalloberfläche heftet

Aufklärung des Mechanismus von Schutzschichten auf Fusionsreaktoren, die ein Ablösen verhindern

TOKIO, 25. Aug. 2023 – Fusionsreaktoren, schnelle Brutreaktoren und Solarturmkraftwerke werden als Kraftwerke mit geringen Umweltauswirkungen und ohne Ressourcenbeschränkungen entwickelt. Da diese Kraftwerke bei hohen Temperaturen mit großem Wärmeübergang arbeiten, untersuchen Wissenschaftler den Einsatz von Komponenten, die Flüssigmetall (hat ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften) als Kühlmittel verwenden. Die Flüssigmetall-Blanket (eine im Kern installierte Metallwand) und der Flüssigmetall-Divertor (nimmt Wärme auf und leitet Abgase ab) gehören zu den wichtigsten Komponenten von Fusionsreaktoren und haben als innovative Energieumwandlungsgeräte Aufmerksamkeit erregt. Die Auswahl von Strukturmaterialien, die chemisch mit Hochtemperatur-Flüssigmetallen kompatibel sind, war jedoch eine Herausforderung.

Associate Professor Masatoshi Kondo vom Tokyo Institute of Technology hat Flüssigmetallkühlmittel genommen und ihre chemische Korrosionsbeständigkeit mit führenden Strukturmaterialien untersucht. Er fand heraus, dass die Ursache für Korrosion das Auslaugen metallischer Komponenten aus Materialien ist, die mit Flüssigmetall in Kontakt kommen, und die Legierung von Flüssigmetall und Stahlmaterialien. In diesem Zusammenhang stellte er fest, dass die Korrosion deutlich reduziert werden kann, indem auf der Oberfläche von Strukturmaterialien von Flüssigmetallkomponenten eine kompakte Schutzoxidschicht gebildet wird. Die Bildung einer stabilen Schutzoxidschicht, die eine solche Korrosion hemmt, ist der Schlüssel zur Realisierung von Komponenten auf Flüssigmetallbasis.

Das gemeinsame Forscherteam unter der Leitung von Associate Professor Kondo in Zusammenarbeit mit der Yokohama National University und dem National Institute for Fusion Science konzentrierte sich auf die Tatsache, dass oxidationsverstärkte (ODS) FeCrAl-Legierungen eine α-Al₂O₃-Schicht (Alpha-Aluminiumoxid) aus einer kompakten Struktur bilden, und identifizierte Faktoren, die das Wachstum der Schicht fördern, sowie den Mechanismus, der bewirkt, dass sich die Schicht nicht von dem Substrat ablöst.

Die α-Al₂O₃-Schicht bietet in Hochtemperatur-Flüssigmetallumgebungen einen hervorragenden Schutz. Die ODS Fe15Cr7Al-Legierung hat eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und ist ein starkes potenzielles Strukturmaterial für Kraftwerke der nächsten Generation. Die Legierung kann bei 1000°C in Luft für 10 Stunden oxidiert werden, um eine α-Al₂O₃-Schicht zu bilden. Abbildung 1 zeigt ein Querschliffmikroskopbild der α-Al₂O₃-Schicht, die auf der ODS Fe15Cr7Al-Legierung gebildet wurde, und die Verteilung ihrer Bestandteile. Obwohl sie nur 1,28 Mikrometer dick ist, etwa 1/80 der Dicke eines menschlichen Haares, hat sie eine äußerst kompakte Struktur mit einer gleichmäßigen Verteilung von Aluminium und Sauerstoff, wie in Abbildung 1(b) dargestellt. Gleichzeitig fand das Team heraus, dass Oxide reaktiver Elemente wie Ti, Y und Zr in der α-Al₂O₃-Schicht gebildet wurden, wie in Abbildung 1(c) dargestellt. Dies liegt daran, dass die reaktiven Elemente, die die ODS Fe15Cr7Al-Legierung als winzige Oxidpartikel in ihrer Mikrostruktur dispergiert enthält, in die Schicht gewandert sind, um Oxide zu bilden. Der Vergleich der Mikrostruktur und des Wachstums der auf mehreren Arten von FeCrAl-Legierungen gebildeten Oxidationsschicht zeigt, dass Legierungen ohne reaktive Elemente diese Oxide nicht in der Schicht bilden und ihr Schichtwachstum langsam ist. Diese länglichen Oxide reaktiver Elemente wirken wie “Sauerstoff-Diffusionspfade”, die das Schichtwachstum fördern und die Barriereeigenschaften verbessern (Abbildung 2).

Die Schutzschicht muss ablösebeständig sein. In dieser Studie führte das Team einen Kratztest an der auf der ODS-FeCrAl-Legierung gebildeten α-Al₂O₃-Schicht durch, um das Ausmaß der Kraft zu messen, die erforderlich ist, um die Schicht mit einer scharfen Nadel zu ritzen und abzulösen. Die Ergebnisse zeigen, dass die ODS-FeCrAl-Legierung ausgezeichnete Haftungseigenschaften aufweist. Der Mechanismus, durch den die α-Al₂O₃-Schicht ablösebeständig wird, ist in Abbildung 2 zusammengefasst. Zunächst greifen die Oxide reaktiver Elemente, die sich vom Substrat zur Schicht bilden, die Mikrostruktur der Schicht fest, wie Heringe, die zum Befestigen eines Zeltes verwendet werden, und tragen zur verbesserten Haftfestigkeit bei. Dies wird als Verankerungseffekt bezeichnet.

Zwischen der α-Al₂O₃-Schicht und dem Substrat wurde eine instabile Grenzfläche mit gezackter Struktur gebildet, und wie in Abbildung 3(a) dargestellt, vertieft sich diese gezackte Grenzfläche, je dicker die Schicht wird. Darüber hinaus ist, wie in Abbildung 3(b) dargestellt, je tiefer die gezackte Grenzfläche ist, desto größer ist die Schubspannung, die zum Ablösen der α-Al₂O₃-Schicht erforderlich ist, d.h. desto stärker ist die Haftfestigkeit der Schicht. In dem oben beschriebenen Muster mit dem Sauerstoffdiffusionspfad wird das Schichtwachstum in moderat ungleichmäßiger Weise gefördert, was zu einer tieferen gezackten Grenzfläche und einem starken Verankerungseffekt führt. Es gibt andere Methoden zur Bildung von Oxid- und anderen Schichten durch eine Lösung, aber im Vergleich zu solchen Methoden haben die in dieser Studie gebildeten Schichten eine stärkere Haftung und können dem Fluss von Flüssigmetallen mit der kompakten Struktur standhalten.

Die Entwicklung einer kompakten, ablösebeständigen Barrierentechnologie hat eine vielversprechende Perspektive für die Verlängerung der Lebensdauer von Flüssigmetallkomponenten wie Flüssigmetall-Blankets und -Divertoren eröffnet. Es wird erwartet, dass die Umsetzung der Flüssigmetalltechnologie in fortgeschrittenen Kraftwerken wie Fusionsreaktoren sowie in Entsalzungs- und Umweltsanierungstechnologien die Schaffung einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft vorantreiben wird.

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