Elastic properties of sub-micrometric chromia coatings for nuclear applications

Advanced nuclear systems are designed to operate under extreme conditions in terms of temperature, irradiation and chemical reactivity. Protective coatings have been developed as effective solutions to provide structural integrity and corrosion resistance. Among various oxides, chromia (Cr_2O_3) emerges for its high thermodynamic stability and chemical compatibility with steels. This thesis investigates elastic and microstructural evolution of chromia thin films. The key objective is to correlate deposition and annealing parameters to their respective effects on morphology and mechanical performance. Metallic chromium films were deposited on silicon substrates by High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS), with or without bias, and then annealed in air at 400 °C, 500 °C, and 600 °C to promote oxidation. Through Brillouin Light Scattering (BLS), elastic constants were estimated with the support of an innovative methodological approach for complex structures. Observations reveal a clear dependence between annealing temperature and the elastic behavior of the films. At moderate annealing, partial oxidation and oxygen diffusion induce coating softening whereas higher annealing temperatures enhance grain growth and crystallization. The resulting increase in acoustic wave velocity directly proves the improved stiffness associated with chromia crystallization. The biased deposition produce dense and smooth films, which mirrors on the thermal evolution as a delayed microstructural degradation. Even if this mechanical advantage becomes less evident at high annealings, biased samples remain superior in thermal stability and compact morphology. This work joins experimental evidence with analytical modeling to systematically build a direct relation between microstructure, density and elasticity. Overall, the results provide a comprehensive understanding of the mechanical behavior of chromia coatings, supporting their qualification as a reliable protection for advanced nuclear technologies.

I sistemi nucleari avanzati sono progettati per operare sotto condizioni critiche in termini di temperatura, irraggiamento e reattività chimica. I rivestimenti protettivi sono stati sviluppati come efficaci soluzioni per garantire integrità strutturale e resistenza alla corrosione. Tra gli ossidi, la cromia (Cr_2O_3) spicca per la sua stabilità termodinamica e compatibilità chimica con gli acciai. Questa tesi studia l'evoluzione elastica e microstrutturale di film sottili di cromia. L'obiettivo principale è correlare i parametri di deposizione e ricottura con i rispettivi effetti su morfologia e prestazioni meccaniche. I film di cromo metallico sono stati depositati su silicio mediante HiPIMS, con/senza bias, e ricotti in aria a 400 °C, 500 °C e 600 °C per promuoverne l'ossidazione. Mediante spettroscopia Brillouin (BLS), le costanti elastiche sono state stimate con il supporto di un approccio metodologico innovativo per strutture complesse. I risultati rivelano una chiara dipendenza tra la temperatura di ricottura e il comportamento elastico dei film. A temperature moderate, l'ossidazione parziale e l'interdiffusione di ossigeno riducono la rigidità del rivestimento, mentre temperature più alte favoriscono crescita dei grani e cristallizzazione. L'aumento della velocità delle onde acustiche che si osserva dimostra il miglioramento della rigidità associato con la cristallizzazione della chromia. La deposizione con bias produce film densi e lisci, ritardando il degrado microstrutturale durante la ricottura. Nonostante questo vantaggio meccanico si riduca con l'alzarsi delle temperature, i campioni con bias rimangono superiori in termini di stabilità termica e morfologia compatta. Questo lavoro integra evidenze sperimentali e modellazione analitica, costruendo una relazione diretta tra microstruttura, densità ed elasticità. I risultati forniscono un quadro generale del comportamento meccanico e qualificano la cromia come un rivestimento protettivo affidabile e plausibile per tecnologie nucleari avanzate.