Caracterización y modificación de materiales de interés tecnológico e industrial mediante técnicas nucleares

Abstract

Las técnicas nucleares que utilizan haces de partículas para análisis, caracterización o modificación de materiales (técnicas deIon Beam Analysis ó IBA) vienen siendo empleadas con notable éxito en los últimos 15 años en distintos campos de aplicación (arqueometría, biología, medioambiente, etc.). Especialmente relevante ha sido su impacto en el análisis y fabricación de nuevos materiales de interés tecnológico e industrial. La alta sensibilidad, relativo bajo costo y carácter no destructivo de estas técnicas, entre otras características, han permitido su implantación en un notable número de laboratorios, que han ido desviando sus líneas de trabajo desde la Física Nuclear Básica hacia temas interdisciplinarios. A su vez, los grupos de Ciencias de materiales han ido sacando mayor provecho de sus excepcionales potencialidades, pudiéndose decir hoy en día que las técnicas nucleares han sido plenamente incorporadas a la metodología de los grupos más competitivos de esta dinámica área de investigación.

El presente trabajo se enmarca dentro de un ambicioso proyecto de colaboración entre varias universidades y centros de investigación europeos (Universidad de Sevilla,Universidade de Lisboa, Instituto Tecnológico e Nuclearen Sacavém (Portugal), el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla y elLaboratoire pour l’Utilisation du Rayonnement Electromagnétique en Orsay (Francia)) y la industria siderometalúrgica (ACERINOX, S.A.), que ha sido financiado por la Unión Europea a través de la Comisión Europea del Carbón y del Acero (convenio nº 7210-MA/948, MA/950). Gracias a esta cooperación, se ha conseguido diseñar y poner a punto un procedimiento de bajo costo y fácilmente aplicable en el ámbito industrial, que permite el aumento de la temperatura de servicio de una aleación comercial bien conocida y ampliamente implantada en el mercado, como es el acero inoxidable austenítico AISI-304. El método desarrollado aprovecha el todavía poco entendido efecto de los elementos reactivos, conocido por sus siglas inglesas REE (Reactive Element Effect). Con la intención de aproximarse a la comprensión de este efecto, se ha hecho uso de una gran variedad de técnicas analíticas, que van desde las tradicionales microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido, EDX, difracción de rayos X, XPS, AES, DRIFTS, etc., hasta las simulaciones de dinámica molecular, pasando por las técnicas de haces de iones, objeto principal de las siguientes páginas. Fruto de dichos estudios son, además, los numerosos trabajos publicados y las varias tesis doctorales presentadas [1][2][3][4], que concluyen con esta tesis.

En esta memoria se profundiza en el estudio de los mecanismos que provocan el REE y que conducen a la mejora de la oxidación a alta temperatura del acero AISI-304. El REE se traduce en una mejora considerable de la resistencia a la oxidación a alta temperatura de ciertos materiales metálicos y aleaciones, cuando se añaden pequeñas cantidades de ciertos elementos como Y, Ce, La, Sm, Hf, Zr, Nd, etc. Este efecto es conocido desde 1937 y aún no existe ninguna teoría ni modelo que lo explique de forma completa. Para la consecución técnica del REE se encuentran diversas posibilidades, pero son muy pocas y caras las aleaciones comerciales que aprovechan este efecto, debido principalmente al elevado coste de los procesos de producción existentes. Para mejorar el comportamiento refractario del acero inoxidable AISI-304, se va a inducir el efecto de los elementos reactivos mediante la adición de lantano y cerio (tierras raras baratas y fáciles de encontrar) a su superficie. La aplicación de lantano usando diversos procedimientos, permitirá calibrar y poner a punto las técnicas IBA de espectrometría de retrodispersión Rutherford (RBS) y de análisis por reacciones nucleares (NRA) para su aplicación al estudio de la oxidación de los aceros. Esto permitirá la aplicación inmediata de estas técnicas al estudio de la mejora de la resistencia a la oxidación del AISI-304 por adición superficial de cerio, ya sea mediante pirólisis de aerosoles o mediante la implantación de iones Ce+. Este trabajo puede ser considerado pionero en la combinación de las técnicas RBS y NRA en el estudio de la oxidación de aceros. Tras efectuar una introducción a los fenómenos que van a ser estudiados y a las técnicas experimentales utilizadas, se verá cómo el lantano es capaz de producir dicho efecto en el acero inoxidable AISI-304 cuando es simplemente aplicado sobre la superficie en forma de solución acuosa de nitrato de lantano, y permitirá establecer las ventajas de la técnica de RBS frente a otras técnicas analíticas tradicionales, como la espectroscopía de electrones Auger (AES) y la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X, XPS. A continuación se estudiará la aplicación superficial de lantano mediante un procedimiento de pirólisis de aerosoles, y su efecto en la oxidación a alta temperatura del AISI-304. Para profundizar en el estudio de la mejora de la oxidación, se procederá a la incorporación de cantidades muy precisas de lantano a una profundidad determinada mediante implantación iónica. La implantación producirá también otros efectos que serán ampliamente estudiados y discutidos. Todo el conocimiento y la experiencia adquiridos a través de los estudios con lantano, serán aplicados a la mejora de la oxidación mediante la adición de cerio por pirólisis de aerosoles y por implantación iónica. Con los resultados obtenidos, se procederá a realizar una discusión global, estableciendo las diferencias y semejanzas entre los efectos que induce la aplicación de lantano y la de cerio, y entre los distintos procedimientos empleados, y adelantando tesis e hipótesis que podrían contribuir al esclarecimiento del efecto de los elementos reactivos. Finalmente, se resumirán todas las conclusiones a las que se ha llegado en la presente tesis.