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Comportamento de oxidação em ligas de zircônio (NanoSIMS)

Investigating oxidation in zirconium alloys with NanoSIMS
O NanoSIMS tem sido usado para estudar os mecanismos de oxidação quando os materiais comerciais Zircaloy 4 e ZIRLO™1 de baixo teor de estanho são expostos a ambientes corrosivos. As ligas de Zr foram oxidadas por diferentes intervalos de tempo (34 dias, 80 dias e 160 dias) em uma autoclave para simular condições do reator nuclear de água pressurizada (água pura (+ Li, B) a 360 °C e 18 Mpa). Os marcadores isotópicos 18O e 2H foram então adicionados por mais um intervalo de 20 dias para revelar locais de oxidação ativa através de imagens NanoSIMS de seções transversais perto da superfície.

Resultados:
As transições mediadas por porosidade entre os regimes de corrosão ocorrem em espessuras críticas da camada do óxido. Hidretos estavam presentes em todas as amostras, mesmo naquelas com curtos tempos de oxidação. Evidências claras foram mostradas para diferentes distribuições características de 18O antes e depois das transições cinéticas, e este comportamento foi correlacionado ao desenvolvimento de porosidade no óxido, que permite que o meio corrosivo penetre localmente na interface metal/óxido.

Imagens acima: ZIRLO de baixo teor de estanho - Distribuição de hidreto usando traçador de deutério. Imagens de mesclagem de cores mostrando os locais relativos dos sinais 18O (vermelho), 16O (azul) e 2H (verde). Hidretos (em verde) são encontrados abaixo da interface metal/óxido, mas pouco deutério foi detectado na camada de óxido.
(A) 34 + 20 dias: um óxido protetor (em azul) está globalmente presente, bloqueando a penetração de 18O-água (em vermelho),
(B) 80 + 20 dias: o óxido original, muito espesso e rachado (em azul), não é mais protetor e deixou 18O-água (em vermelho) atingir e oxidar o metal,
(C) 160 + 20 dias: esta nova camada protetora compacta (embaixo em azul) proíbe a oxidação por 18O-água.

Três fortes vantagens do NanoSIMS são ilustradas por este estudo:
  • O NanoSIMS permite analisar e criar imagens de áreas de amostra maiores em comparação com o TEM ou a sonda atômica, fornecendo assim uma visão geral mais representativa da amostra.
  • O NanoSIMS possibilita o mapeamento de elementos leves, como boro e deutério (2H), mesmo em baixas concentrações.
  • O NanoSIMS permite o uso de isótopos estáveis (D, 13C, 18O, 15N,…) para acompanhar reações químicas em sólidos.
Fonte: Análise do comportamento de oxidação de ligas de zircônio usando traçadores isotópicos e SIMS de alta resolução. 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.