Characterization of advanced Ni-free high-Mn Cu-enriched stainless steels for lead-cooled fast reactors

Lead-cooled fast nuclear reactors require structural materials with high mechanical strength, microstructural stability, and resistance to dissolution of alloying elements in liquid lead. In this context, Nickel-free high-manganese stainless steels (SS) emerge as promising alternatives to replace conventional ones. Nickel, although being an effective austenite stabilizer, is an expensive and critical element due to its susceptibility to dissolution in lead; manganese, on the other hand, can also stabilize the austenitic phase, showing a lower tendency to dissolution. This study presents a comparative characterization of two new Ni-free high-Mn SS alloys, enriched with 2% of copper, differentiated by a slight boron content in one of the two. The aim is to evaluate the effect of copper on microstructural stability, corrosion response in molten lead and the influence of heat treatments on the formation of martensite. Four process conditions were investigated: as-cast, solution-treated, HR, and HRS. The characterization included metallographic analysis, X-ray diffraction, hardness and tensile testing, as well as an exposure in liquid lead for up to one thousand hours. The alloys feature a duplex microstructure, with an austenitic matrix and a branched ferrite phase. Following solution treatment, a wide transformation of the matrix into martensite is observed, attributed to rapid water quenching. Mechanical performances are satisfactory for structural applications; the boron-containing alloy shows a slightly higher hardness, in accordance with the expected effect. Both alloys exhibit good corrosion resistance in lead, related to the formation of potentially protective surface oxides, although the boron-containing alloy shows a tendency toward more widespread pitting. Overall, the results are promising for both alloys; however, their interpretation requires caution since the tests were conducted on a laboratory scale and on a limited number of samples. Future studies will have to expand the experimental matrix to consolidate the engineering reliability of the results and verify the robustness of the observed trends under operating conditions.

I reattori nucleari veloci raffreddati a piombo richiedono materiali strutturali con elevata resistenza meccanica, stabilità microstrutturale e resistenza alla dissoluzione degli elementi di lega in piombo liquido. In questo contesto, gli acciai inossidabili ad alto manganese e senza nichel emergono come alternative promettenti in sostituzione di quelli convenzionali. Il nichel, pur essendo un efficace stabilizzante dell’austenite, è un elemento costoso e critico per la sua suscettibilità alla dissoluzione in piombo; al contrario il manganese può stabilizzare la fase austenitica mostrando una minore tendenza alla dissoluzione. Questo studio presenta una caratterizzazione comparativa di due nuove leghe di acciaio inossidabile ad alto manganese, senza nichel e arricchite con il 2% in rame, differenziate da un lieve contenuto di boro in una delle due. L’obiettivo è valutare l’effetto del rame sulla stabilità microstrutturale, la riposta alla corrosione in piombo fuso e l’influenza dei trattamenti termici sulla formazione della martensite. Sono state investigate quattro condizioni di processo: grezzo di colata, solubilizzata, laminata a caldo, e laminata a caldo seguita da solubilizzazione. La caratterizzazione ha incluso l’analisi metallografica, diffrazione a raggi X, prove di durezza e trazione, oltre a un’esposizione in piombo liquido fino a mille ore. Le leghe mostrano una microstruttura duplex, con matrice austenitica e fase ferrite ramificata. A seguito della solubilizzazione si osserva un’ampia trasformazione della matrice in martensite, attribuita al rapido raffreddamento in acqua. Le prestazioni meccaniche risultano soddisfacenti per impieghi strutturali; la lega contenente boro presenta una durezza lievemente superiore, in accordo con l’effetto atteso. Entrambe le leghe mostrano una buona resistenza alla corrosione in piombo, correlata alla formazione di ossidi superficiali potenzialmente protettivi, sebbene la lega con boro evidenzi una tendenza a un pitting più diffuso. Nel complesso i risultati risultano promettenti per entrambe le leghe; tuttavia, la loro interpretazione richiede cautela poiché le prove sono state condotte in scala di laboratorio e su un numero limitato di campioni. Studi futuri dovranno ampliare la matrice sperimentale per consolidare l’affidabilità ingegneristica dei risultati e verificare la robustezza delle tendenze osservate in condizioni operative.