Characterization and corrosion performance of chromium-based bilayer coatings for Lead-Cooled Fast Reactors

Lead-Cooled Fast Reactors (LFRs) are recognized as a pivotal technology for the future of sustainable and safe nuclear power generation. However, commercial LFR deployment is currently hindered by severe material degradation induced by the heavy liquid metal coolant. Applying protective coatings has emerged as the primary near-term mitigation strategy. Chromium-based coatings are particularly promising due to their ability to spontaneously form a passivating chromia Cr2O3 scale. This thesis, conducted by the NanoLab research group at Politecnico di Milano in collaboration with newcleo, aims to evaluate the viability of HiPIMS-deposited chromium as a protective barrier for LFRs. The work focuses on two core objectives: understanding the oxidation behavior of the metallic films and assessing their corrosion performance in liquid lead. To achieve these, the study systematically characterizes the high-temperature structural evolution of the chromium layers to optimize thermal oxidation parameters and evaluates the degradation mechanisms of the resulting bilayer architectures under LFR-relevant conditions. Experimental findings proved the successful growth of dense, continuous, and compressively stressed Cr2O3 scales via controlled thermal annealing. Subsequently, two optimized coatings were tested in LFR-relevant liquid lead, revealing a stark divergence in their protective performances. In contrast to the extensive lead penetration observed in the sample annealed at 600 °C for 5 h, the 600°C-10h annealed coating appeared to resist macroscopic infiltration and largely kept its structural integrity, though it could not completely prevent outward elemental diffusion. This divergence points to a potential correlation between the initial defectivity of the grown oxide and its anticorrosive capabilities. Ultimately, although the 10 h coating provided improved corrosion resistance, both configurations exhibited interfacial delamination at the chromium-steel interface. These findings highlight the importance of optimizing the pre-exposure oxide microstructure for improving the corrosion resistance of chromium-based coatings in liquid lead, while also emphasizing the need to enhance coating adhesion.

I reattori veloci raffreddati a piombo (LFR) rappresentano una tecnologia cruciale per la futura produzione di energia nucleare sicura e sostenibile. Tuttavia, il loro impiego commerciale è attualmente limitato dal grave degrado dei materiali indotto dal refrigerante metallico liquido. L'applicazione di rivestimenti protettivi è emersa come la principale strategia di mitigazione a breve termine. I rivestimenti a base di cromo risultano particolarmente promettenti grazie alla loro capacità di formare spontaneamente uno strato passivante di ossido di cromo Cr2O3. Questa tesi, svolta dal gruppo di ricerca NanoLab del Politecnico di Milano in collaborazione con newcleo, mira a valutare l'efficacia del cromo depositato tramite HiPIMS come barriera protettiva per gli LFR. Il lavoro si focalizza su due obiettivi principali: comprendere il comportamento ossidativo dei film metallici e valutarne le prestazioni in condizioni di corrosione in piombo liquido. A tal fine, lo studio caratterizza l'evoluzione strutturale dei film di cromo quando esposti ad ambienti ossidanti ad alta temperatura, al fine di ottimizzare i parametri di ossidazione termica, valutandone poi le proprietà anticorrosive quando esposti a piombo liquido ad alta temperatura. I risultati sperimentali hanno confermato la potenzialità del trattamento di ossidazione controllata per accrescere strati di Cr2O3 densi, continui e in stato di compressione. Due rivestimenti ottimizzati sono poi stati testati in piombo liquido, rivelando una marcata differenza nelle prestazioni. A differenza del campione trattato a 600°C per 5 ore, che ha mostrato un'estesa penetrazione del piombo, il rivestimento ossidato per 10 ore a 600°C ha resistito all'infiltrazione macroscopica, mantenendo l'integrità strutturale, pur non impedendo la diffusione esterna degli elementi del substrato. Tale divergenza suggerisce una correlazione tra la difettività iniziale dell'ossido e la sua performance. Infine, entrambi i campioni hanno subito delaminazione all'interfaccia tra cromo e acciaio. Tali evidenze sottolineano l'importanza di ottimizzare la microstruttura dell'ossido pre-esposizione per migliorarne la resistenza alla corrosione, evidenziando al contempo la necessità di incrementarne l'adesione al substrato.