Formação e estabilidade de nanoaglomerados óxidos no aço AISI 316L

Abstract

Existem diferentes estratégias de engenharia de microestrutura para o desenvolvimento de materiais nucleares mais resistentes a irradiação. Uma das principais alternativas é a formação de aços ODS (Oxide Dispersed Strengthened) caracterizados por conter uma dispersão fina de precipitados óxidos. O presente trabalho explora a formação deste tipo de precipitado óxido através da implantação de íons de Al e O numa matriz austenítica de aço inox AISI 316L. Além disso, também foi estudado como ocorre a interação entre os precipitados e o sistema de bolhas produzido pela implantação de He. A estabilidade da microestrutura destes materiais foi testada através de tratamentos térmicos a temperaturas de 550 e 700 ºC. A microestrutura das amostras foi caracterizada por microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Uma análise detalhada da estrutura dos precipitados realizada por difração de elétrons em área selecionada (SAD) demonstrou que os mesmos são ricos em Cr e O e possuem uma estrutura FCC (grupo espacial #225 com parâmetro de rede de 4,16 Å) característica da fase CrO. Além disso, foi demonstrado que os precipitados se formam à temperatura ambiente durante o processo de implantação e que, durante os tratamentos térmicos, tendem a desenvolver orientações preferenciais com a estrutura da matriz. Também é demonstrado que os precipitados de CrO atuam no sentido de reduzir o crescimento das bolhas de He, fato característico da funcionalidade dos precipitados óxidos nos aços. Estes resultados são discutidos considerando que o sistema de precipitados e o sistema de bolhas competem pela absorção de vacâncias para sustentar o seu crescimento.

Nowadays there are several different methods used to engineer the microstructure of nuclear materials to make them more resistant to radiation. One of the alternatives is the use of steels that contain oxide precipitates in their composition, known as ODS (oxide dispersion strengthened) steels. The present work explores the formation of this kind of oxide precipitates with the implantation of Al and O ions into a solubilized AISI 316L austenitic stainless steel matrix. It also presents the study of the mechanisms of interaction between the precipitates and the system of bubbles formed after He implantation. The stability of the microstructure of these materials was tested with thermal annealings at temperatures between 550 and 700 ºC. The samples are characterized by transmission electron microscopy (TEM). A detailed analysis of the precipitates microstructure was realized with selected area electron diffraction (SAED) and it showed that the precipitates are rich in Cr and O, with a FCC structure (space group #225, lattice parameter a = 4,16 A) characteristic of the CrO phase. Moreover, it was demonstrated that the precipitates are formed during the implantation process at room temperature and that during the thermal annealings they tend to orient themselves preferentially to the matrix crystal structure. Furthermore, it is also shown that the formation of CrO precipitates reduces the growth of He bubbles, which verifies the functionality of oxide precipitates in stainless steels. These results are discussed considering that the precipitates’ and bubbles systems compete for the absorption of vacancies to sustain their growth.