Dissertação

{en_GB=HEAs: High Entropy Alloys for advanced systems and engines} {} EVALUATED

{pt=Resumo Espera-se que o diversor de um tokamak sustente elevados fluxos térmicos em tempo de serviço. A grande diferença entre a temperatura operacional do tungsténio e a da liga dissipadora de calor CuCrZr, requer uma camada intermédia operando como uma barreira térmica, compatibilizando a troca eficiente de calor com um tempo de vida útil prolongado. Ligas de alta entropia - compostas por cinco ou mais elementos metálicos, concentrações entre 5 at. % e 35 at. %, formadoras de soluções sólidas aleatórias com estruturas distorcidas BCC ou FCC - têm revelado propriedades térmicas e mecânicas diferenciadas que são promissoras para aplicações de barreira térmica, em determinadas composições. Neste estudo, o WxTaCrNbV (x = 20 e 30 at.% W) e CuxCrFeTiV (x = 5, 10, 20 e 30 at.% Cu) foram preparados através de moagem mecânica e consolidadas por Spark Plasma Sintering. Tratamentos térmicos foram realizados para avaliar a estabilidade térmica das amostras consolidadas. Análises de microscopia eletrónica de varrimento, difração de raios-X e espetroscopia de energia dispersiva foram executadas em todos as amostras. Os sistemas sinterizados WxTaCrNbV revelam essencialmente duas soluções sólidas BCC na sua microestrutura. Recozimentos térmicos apontam para estabilidade até 1100 C. O CuxCrFeTiV exibe uma estrutura de BCC dominante com uma estrutura minoritária FCC. Medições de difusividade térmicas revelam propriedades indicadas para barreira térmica. Iões de árgon foram irradiados para simular defeitos criados nos materiais durante a operação do reator nuclear. Palavras-chave: diversor; tokamak; liga de alta entropia; camada intermédia de barreira térmica; microestrutura; difração de raios -X , en=Abstract The divertor of a tokamak is expected to be able to sustain high heat loads during operation. The large difference between the service temperatures of the plasma facing tungsten and the heat sink alloy CuCrZr demands a compatible thermal barrier interlayer for efficient heat exchange and extended service lifetimes. High entropy alloys – composed of five or more metallic elements in concentrations between 5 at. % and 35 at. %, that can form random solid solutions with distorted BCC or FCC lattices – already revealed enhanced thermal and mechanical properties, for some compositions, that are promising for thermal barrier applications. In this study the WxTaCrNbV (x = 20 and 30 at. % W) and CuxCrFeTiV (x = 5, 10, 20 and 30 at. % Cu) were prepared using mechanical alloying, followed by consolidation by spark plasma sintering. Heat treatments were performed to assess the thermal stability of the consolidated samples. All samples were analysed through Scanning Electron Microscopy, X-ray Diffraction and Energy Dispersive Spectroscopy. The as-cast WxTaCrNbV systems reveal essentially two BCC solid solutions in the matrix. Thermal annealings indicate stability extended to 1100 C. The CuxCrFeTiV exhibits a dominant BCC structure, along with a minor FCC structure. Thermal measurements indicate good stable thermal barrier properties. Argon ions were used to simulate defects created during the nuclear reactor operation. Keywords: divertor; tokamak; high entropy alloy; thermal barrier interlayer; microstructures; X-ray diffraction   }
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Setembro 4, 2019, 14:0

Orientação

ORIENTADOR

Marta Sofia Rosado Silva Dias

Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear (IPFN)

ORIENTADOR

Rui Manuel Coelho da Silva

Departamento de Engenharia e Ciências Nucleares (DECN)

Principal Researcher