Mechanical properties investigation of amorphous alumina coatings produced by pulsed laser deposition

When it comes to non-proliferation, fuel cycle economy, radioactive waste management, safety, and economics, GEN-IV lead-cooled fast reactors (LFRs) will outperform the present generation of nuclear systems. However, for this situation to happen, new materials able to endure the much more severe operating conditions imposed by this novel, cutting-edge LFR plant concepts must be engineered. Developing advanced nano-ceramic coatings with protective features is a temporary answer to the enormous problem of structural materials degradation. Through the last years, the "Istituto Italiano di Tecnologia" (IIT) has developed multifunctional, amorphous aluminium oxide coatings (a-Al203) deposited onto stainless steel substrates using pulsed laser deposition (PLD). The potentialities offered by PLD-grown (a-Al203) validate the material to be an essential piece of technology for the next generation, safe and economically competitive nuclear power facilities. However, the biggest challenge is ensuring that the ceramic coating's structural integrity is never jeopardised. The coating must be able to deform without cracking or delaminating, in addition to withstanding the expected radiation and corrosion damage exposures. Within this framework, the object of this work is to assess the deformation behaviour of (a-Al203) thin films upon mechanical straining. A comprehensive review of the literature concerning the fracturing process of thin films deposited onto high elongation substrates precedes the application of the relative analytical model to the specific (a-Al203)/AISI316 composite system of interest. Fragmentation tests under different thermodynamical conditions are employed to investigate the behaviour of the outer, low elongation ceramic layer. Results confirm that stresses are transferred across the film/substrate interface upon a stress drop from the coating to the substrate when failure commences. A crack morphology, composed of vertical, parallel, and approximately equally spaced cracks, develops in the films perpendicular to the direction of loading. Delamination and transverse buckling sometimes occur due to Poisson effects parallel to the tensile direction. As a result of crack density analysis, alumina coatings are thought to exhibit ductile features, especially in the form of very thin films. This characteristic is also preserved when high-temperature tensile tests are performed. In this case, however, no buckling or delamination can be observed. Overall, the work provides the basis for a comprehensive understanding of alumina’s properties upon mechanical deformation, but further investigations are required to corroborate its employment in LFR in-core components fully.

Quando si tratta di non proliferazione, economia del ciclo del combustibile, gestione dei rifiuti radioattivi, sicurezza e costi economici, i reattori a neutroni veloci refrigerati al piombo di quarta generazione sono destinati a soppiantare l'attuale generazione di sistemi nucleari. Tuttavia, affinché questa situazione si verifichi, è necessario ingegnerizzare opportunamente nuovi materiali in grado di sopportare le molto più severe condizioni operative imposte dai nuovi reattori a fissione veloce. Lo sviluppo di rivestimenti protettivi nano ceramici avanzati si propone come una valida risposta, seppur temporanea, al contingente problema del degrado dei materiali strutturali. Nel corso degli ultimi anni, l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) è stato in grado di ingegnerizzare rivestimenti a base di allumina amorfa a (a-Al203), depositati principalmente su substrati di acciaio inossidabile mediante deposizione laser pulsata (PLD). Le potenzialità offerte dall’ossido di alluminio depositato tramite PLD convalidano il materiale come un’importante svolta tecnologica per gli impianti nucleari di nuova generazione, economicamente competitivi e sicuri. Da questo punto di vista, la difficoltà più grande risiede nel garantire che l'integrità strutturale del materiale ceramico non sia mai compromessa, ossia il rivestimento deve essere in grado di deformarsi senza frammentarsi o delaminarsi oltre a resistere ai danni derivanti sia dalla corrosione che dall’esposizione a radiazioni. All’interno di questo contesto, lo scopo di questo lavoro è valutare il comportamento di film sottili di allumina amorfa sottoposti a deformazione meccanica in diverse condizioni termodinamiche. Una dettagliata presentazione della letteratura riguardante i processi di fratturazione di film sottili depositati su substrati duttili precede l'applicazione del relativo modello analitico allo specifico sistema composito film ceramico/acciaio inossidabile di interesse. Test di frammentazione (ossia test di trazione volti alla rottura del solo film) in diverse condizioni termodinamiche sono stati impiegati per studiare il comportamento del rivestimento ceramico. I risultati confermano che le sollecitazioni vengono trasmesse attraverso l'interfaccia film/substrato in seguito ad un trasferimento di carico dal rivestimento esterno al substrato non appena inizia il processo di frammentazione. Cricche verticali, parallele, ed approssimativamente equidistanti si sviluppano nel film in direzione perpendicolare a quella di carico. A causa dei diversi coefficienti di Poisson fra rivestimento e substrato, cricche secondarie dirette parallelamente al carico possono eventualmente indurre delaminazione. In seguito all'analisi della densità di cricche, si ritiene che i rivestimenti di allumina possano mostrare una certa duttilità, specialmente per spessori molto sottili. Questa caratteristica viene preservata anche quando vengono eseguite prove di trazione ad alta temperatura. Ciononostante, in quest’ultimo caso non è stato possibile osservare una completa delaminazione di alcune porzioni di film. Complessivamente, il lavoro fornisce le basi per una comprensione completa delle proprietà di film di allumina amorfa sottoposta a deformazione meccanica. Tuttavia, ulteriori indagini sono necessarie per poter certificare pienamente il suo impiego all’interno dei reattori a fissione veloce raffreddati al piombo.