توضیح مکانیسم لایه های محافظ در راکتورهای همجوشی مقاوم در برابر لایه برداری

راکتورهای همجوشی، راکتورهای تولیدکننده سریع و نیروگاه های حرارتی خورشیدی به عنوان نیروگاه هایی با اثرات زیست محیطی کم و بدون محدودیت منابع در حال توسعه هستند. از آنجایی که این نیروگاه ها در دمای بالا با انتقال حرارت بالا کار می کنند، دانشمندان در حال بررسی استفاده از قطعاتی هستند که از فلز مایع (عملکرد انتقال حرارت عالی دارد) به عنوان خنک کننده استفاده می کنند.

این فلز مایع پتو (الف فلز دیوار نصب شده در قسمت فعال) و دیورتر فلزی مایع (دریافت گرما و انتشار گازهای خروجی) از مهم ترین اجزای راکتورهای همجوشی هستند و به عنوان دستگاه های تبدیل انرژی مبتکرانه مورد توجه قرار گرفته اند. با این حال، انتخاب مواد ساختاری که از نظر شیمیایی با فلزات مایع با دمای بالا سازگار هستند، چالش برانگیز است.

استادیار ماساتوشی کوندو از مؤسسه فناوری توکیو، خنک کننده های فلزی مایع را گرفته و تحقیقاتی را در مورد مقاومت آنها در برابر خوردگی شیمیایی با مواد ساختاری پیشرو انجام داده است. وی علت خوردگی را شسته شدن اجزای فلزی از مواد در تماس با فلز مایع و آلیاژ شدن فلز مایع و مواد فولادی اعلام کرد.

او دریافت که با تشکیل یک محافظ فشرده می توان خوردگی را تا حد زیادی کاهش داد اکسید لایه روی سطح مواد ساختاری اجزای فلزی مایع. تشکیل یک لایه اکسید محافظ پایدار که از چنین خوردگی جلوگیری می کند، کلید تحقق اجزای مبتنی بر فلز مایع است. این مطالعه در مجله منتشر شد تکنولوژی سطح و پوشش.

تیم تحقیقاتی مشترک به رهبری کوندو، با همکاری دانشگاه ملی یوکوهاما و موسسه ملی فیوژن، بر این واقعیت تمرکز کردند که آلیاژهای FeCrAl تقویت‌شده با پراکندگی اکسید (ODS) α-Al را تشکیل می‌دهند.₂O₃ (آلفا آلومینا) متشکل از یک ساختار فشرده و عوامل شناسایی شده است که می تواند رشد لایه را تحریک کند و مکانیسمی که باعث می شود لایه در برابر جدا شدن از بستر مقاومت کند.

α-Al₂O₃ لایه محافظت استثنایی را در محیط های فلزی مایع با دمای بالا فراهم می کند. آلیاژ ODS Fe15Cr7Al ​​استحکام دمایی بالایی دارد و یک ماده ساختاری بالقوه قوی برای نیروگاه های نسل بعدی است.

این آلیاژ را می توان در دمای 1000 درجه سانتیگراد در هوا به مدت 10 ساعت اکسید کرد تا α-Al تشکیل شود.₂O₃ لایه. شکل 1 تصویر میکروسکوپی مقطعی از α-Al را نشان می دهد₂O₃ لایه تشکیل شده بر روی آلیاژ ODS Fe15Cr7Al ​​و توزیع عناصر تشکیل دهنده آن. اگرچه ضخامت آن تنها 1.28 میکرومتر است، یعنی حدود 1/80 ضخامت موی انسان، اما ساختاری بسیار فشرده با توزیع یکنواخت آلومینیوم و اکسیژن دارد، همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است.

در همان زمان، تیم دریافت که اکسیدهای عناصر واکنش پذیر مانند Ti، Y و Zr در α-Al تشکیل می شوند.₂O₃ لایه همانطور که در شکل 1 (c) نشان داده شده است. این به این دلیل است که عناصر واکنشی که آلیاژ ODS Fe15Cr7Al ​​پراکنده نگه می دارد زیرا ذرات اکسید کوچک در ریزساختار آن به لایه مهاجرت کرده و اکسید تشکیل می دهند.

مقایسه ریزساختار و سرعت رشد لایه اکسیدی تشکیل شده توسط چندین نوع آلیاژ FeCrAl نشان می دهد که آلیاژهای بدون عناصر واکنشی این اکسیدها را در لایه تشکیل نمی دهند و رشد لایه آنها کند است. این اکسیدهای گسترش یافته عناصر واکنشی به عنوان یک “مسیر انتشار فقط اکسیژن” عمل می کنند که باعث رشد لایه و بهبود خواص مانع می شود (شکل 2).

لایه محافظ باید در برابر لایه برداری مقاوم باشد. در این مطالعه، تیم آزمایش خراش روی α-Al انجام داد₂O₃ لایه تشکیل شده بر روی آلیاژ ODS-FeCrAl برای اندازه گیری مقدار نیروی مورد نیاز برای خراشیدن و کندن لایه با یک سوزن تیز. نتایج نشان می دهد که آلیاژ ODS-FeCrAl دارای خواص چسبندگی عالی است.

مکانیسمی که توسط آن α-Al₂O₃ مقاوم شدن لایه در برابر لایه برداری در شکل 2 خلاصه شده است. ابتدا اکسیدهای عناصر واکنشی تشکیل شده از زیرلایه به لایه، ریزساختار لایه را محکم می گیرند، مانند میخ هایی که برای محکم کردن چادر استفاده می شوند، و به بهبود استحکام چسبندگی کمک می کنند. این اثر تثبیت نامیده می شود.

یک رابط ناپایدار با ساختار محدب بین α-Al تشکیل شده است₂O₃ لایه و زیرلایه، و همانطور که در شکل 3 (a) نشان داده شده است، عمق این رابط بریده با ضخیم تر شدن لایه عمیق تر می شود. علاوه بر این، همانطور که در شکل 3 (ب) نشان داده شده است، هرچه سطح بریدگی عمیق تر باشد، تنش برشی مورد نیاز برای جدا کردن α-Al بیشتر است.₂O₃ لایه، یعنی نیروی چسبندگی لایه قوی تر است.

در مدل با مسیر انتشار اکسیژن که در بالا توضیح داده شد، رشد لایه به روشی نسبتاً غیر یکنواخت ارتقا می‌یابد که منجر به یک رابط عمیق‌تر و یک اثر لنگر قوی‌تر می‌شود. روش های دیگری نیز برای تشکیل اکسید و لایه های دیگر توسط محلول وجود دارد، اما در مقایسه با این روش ها، لایه های تشکیل شده در این تحقیق چسبندگی قوی تری دارند و می توانند در برابر جریان فلزات مایع با ساختار فشرده مقاومت کنند.

توسعه یک فناوری مانع فشرده و مقاوم در برابر لایه برداری، چشم انداز امیدوارکننده ای را برای افزایش طول عمر اجزای فلزی مایع مانند پتوهای مایع و دیورترها فراهم کرده است. اجرای فناوری فلز مایع پیشرفته است نیروگاه ها پسندیدن راکتورهای حرارتی و در نمک‌زدایی و پاک‌سازی محیط‌زیست، انتظار می‌رود فن‌آوری‌های ایجاد جامعه‌ای خنثی از کربن باشد.