Stato della produzione e caratterizzazione Stato della produzione e caratterizzazione di nuclei per alto Bdi nuclei per alto B

E. Ghisolfi

FN SpA Nuove Tecnologie e Servizi Avanzati

WORKSHOP SU PROGETTO APOLLO WORKSHOP SU PROGETTO APOLLO

Alimentatori di Potenza per aLti Livelli di radiaziOneAlimentatori di Potenza per aLti Livelli di radiaziOne

INFN, Milano, 18 dicembre 2012

CONTENUTICONTENUTI

FN SPA (www.fnspa.com) LO SCENARIO LA SCELTA DEI MATERIALI POLVERI DI PARTENZA LA TECNOLOGIA SVILUPPATA DECERATURA E SINTERIZZAZIONE CARATTERIZZAZIONE PRELIMINARE DIFFUSIONE RISULTATI CONCLUSIONI

FN S.p.A. Nuove Tecnologie e Servizi AvanzatiFN S.p.A. Nuove Tecnologie e Servizi Avanzati

Sede operativa presso il C.R. ENEA di Saluggia (VC) e stabilimento Bosco Marengo (Al)

PRESIDENTE E AMMINISTRATORE DELEGATO

CONSIGLIERE CON DELEGA TECNICA ALLE ATTIVITA’ SULLA FUSIONE NUCLEARE

Stefania Baccaro

Aldo Pizzuto

Servizio Prevenzione e Protezione

LABLaboratorio

Analisi chimico-fisiche

e strutturali

CONSIGLIERE CON DELEGA TECNICA ALLE ATTIVITA’ TECNICO-GESTIONALI

Vincenzo Cincotti

Assicurazione Qualità

Gestione Rifiuti

Rapporti con il

Territorio

Materiali ceramici e compositi

Celle a combustibile ad alta temperatura

Ottenimento di H2 con catalizzatori

Magneti permanenti

Area sperimentazione e dimostrazione

LAMLaboratorio

Metrologico e prove

tecnologiche

LACLaboratorio

materiali compositi e

gestione impianto CVI

SPMSviluppo Processi e

Manutenzione

UTRUfficio

Tecnico e Officina

APAttività

progettuali

STAFF Amministrativo-gestionale

Segreteria di DirezioneRilevazione ore personaleServizi generaliAcquistiAmministrazione e controllo gestioneSegreteria Tecnica/ArchivioGestione Servizi in outsourcing

Compagine societaria: ENEA 98.65 % Deposito Avogadro SrL 1.28 % Ansaldo Energia 0.07 %

BIOMASSE/BIOGASBIOMASSE/BIOGAS

COMPOSITI A MATRICE CERAMICACOMPOSITI A MATRICE CERAMICA

PRODUZIONE DI H2 DA SOLARE TERMODINAMICOPRODUZIONE DI H2 DA SOLARE TERMODINAMICO

MAGNETI PERMANENTI E DOLCIMAGNETI PERMANENTI E DOLCI

BRASATURE SPECIALI - ITER BRASATURE SPECIALI - ITER

CERAMICI TECNICI AVANZATICERAMICI TECNICI AVANZATI

CELLE A COMBUSTIBILE AD ALTA TCELLE A COMBUSTIBILE AD ALTA T

Grazie alle proprie competenze di laboratorio, alle risorse strumentali ed alla capacità di sviluppare processi e prototipi, FN è anche in grado di fornire servizi all’esterno.

Attività nei settori della fissione/fusione nucleare, dell’aerospazio, dell’energia e dei materiali

innovativi

Formatura in plastico di compound a base di ceramici (Al2O3, LiALO2, SiC) e metalli (NdFeB) e successiva estrusione/stampaggio ad iniezione in forme anche complesse.

Microstruttura al SEM di carburo di silicio (1000 X)

MATERIALI CERAMICI E METALLICIMATERIALI CERAMICI E METALLICI

Compounding

Tubo in SiC durante la fase di estrusione

Campioni stampati in Al2O3

Forno di

sinterizzazione

MATERIALI COMPOSITI PER APPLICAZIONI ESTREMEMATERIALI COMPOSITI PER APPLICAZIONI ESTREME

Realizzazione e caratterizzazione di materiali in composito SiC-SiC, C-SiC, C-C per applicazioni estreme, ottenuti tramite Polymer Infiltration Pyrolisis (PIP) e Chemical Vapor Infiltration/Chemical Vapor Deposition (CVI- CVD).

FN è qualificata in ambito EFDA e partecipa alla European Energy Research Alliance (EERA)

Impianto CVI

Realizzazione e caratterizzazione multistrati in carburo di silicio ottenuti per colatura su nastro e sinterizzazione (Partecipazione a rete d’eccellenza ExtreMAT).

Partecipazione ad ASA 2 (Advanced Structural Assembly, progetto su velivoli ipersonici) con Thales Alenia Space, Università La Sapienza di Roma, CIRA. FN è qualificata per la produzione di C/SiC e C/C per CVI + PIP.

Fibra in SiC rivestita di C e SiC

Impianto CVI

Tubo in CMC

Nose-dome (CIRA)

Analisi al SEM di superfici di frattura

MAGNETI PERMANENTIMAGNETI PERMANENTI

Plasto - neodimio

Isteresigrafo

Nd2Fe14B

Microstruttura al SEM 100 X

Esempi di geometrie di magnetizzazione

Linea per la realizzazione, magnetizzazione e caratterizzazione di plasto-magneti permanenti duri (NdFeB) (Collaborazione Politecnico Torino); progetto interpolo MIMAUEE su sviluppo magneti permanenti e soft per impieghi motoristici.

Componente in W/Cu

Mock-up

FN ha sviluppato, in collaborazione con ENEA, il processo di casting del Cu su W per la

realizzazione di componenti ad alto flusso termico destinati al divertore dell’impianto a fusione

nucleare ITER

FN è fornitore qualificato di Ansaldo Nucleare.

PARTECIPAZIONE A PROGETTI DI RICERCA NAZIONALI ED PARTECIPAZIONE A PROGETTI DI RICERCA NAZIONALI ED INTERNAZIONALIINTERNAZIONALI

Brasatura(W+Cu) – CuCrZr per il casting e lavorazioni meccaniche su tegole in W nell’ambito delle attività previste per la realizzazione di mock-up per il Divertore di ITER. In collaborazione con ENEA, la capacità di fornitura di FN per Ansaldo Nucleare consiste in:

•qualifica del processo •esecuzione del casting •controlli UT•lavorazioni finali•emissione certificati.

PARTECIPAZIONE A PROGETTI DI RICERCA NAZIONALI ED PARTECIPAZIONE A PROGETTI DI RICERCA NAZIONALI ED INTERNAZIONALI E PRINCIPALI COLLABORAZIONIINTERNAZIONALI E PRINCIPALI COLLABORAZIONI

Progetto METISOL (finanz. dal MATT), capofila Centro Ricerche FIATproduzione di miscele metano-idrogeno (idrometano) mediante energia solare da impiegare come combustibile per automezzi.

Progetto EFESO (Industria 2015), capofila MTSproduzione di un microgeneratore a celle a combustible di taglia 0,5-1,5 kW con basse emissioni specifiche.

Progetto STEPS II (finanz. Regione Piemonte), capofila Thales Alenia Space ItaliaSviluppo materiali ablativi per impieghi aerospaziali.

Progetto MANUNET (finanz. europeo), capofila FNsviluppo di un’ENERGY BOX: un sistema combinato calore e potenza (Combined Heat Power) nel range di potenza 1-5 kWe capace di produrre potenza elettrica e calore ad alta temperature (per riscaldamento e condizionamento) con celle SOFC..

Partecipazione a Poli di Innovazione Regione Piemonte con diversi progetti. Impianto solare della FN SpA

Attività di ricerca e sviluppo nell’ambito dell’Accordo di programma MSE-ENEA in collaborazione con ENEA (fissione, fusione, biomasse).

LABORATORIO ANALISI FISICO-CHIMICHE-STRUTTURALILABORATORIO ANALISI FISICO-CHIMICHE-STRUTTURALI

Strumenti:

•SEM: caratterizzazione micro strutturale

•XRD: caratterizzazione cristallografica

•POROSIMETRO A MERCURIO: Dimensione media e distribuzione dei pori, volume dei pori (% porosità aperte)

•BET: adsorbimento di azoto, calcolo secondo il modell BET

•GC/MS: Composizione chimica di gas e vapori

SEM

BET POROSIMETRO A Hg

GC/MSXRD

• Tarature strumentazioni per controlli dimensionali

• INSTRON: Prove di trazione, compressione, flessione, resistenza a carico statico, resistenza a taglio interlaminare;

• DUROMETRO: Durezze in scale Rockwell, Vickers, Brinell

• ROTONDIMETRO: sfericità, planarità e coassialità

• ISTERISIGRAFO: Misura del ciclo di isteresi magnetica

INSTRON

DUROMETRO

ISTERISIGRAFO

ROTONDIMETRO

LABORATORIO METROLOGICO E PROVE TECNOLOGICHELABORATORIO METROLOGICO E PROVE TECNOLOGICHE

LO SCENARIOLO SCENARIO

Uno degli obiettivi dell’esperimento Apollo e’ quello di realizzare prototipi di alimentatori DC-DC che siano in grado di funzionare con buona efficienza in ambiente ad alto campo magnetico disperso, con valore compreso fra 1 e 2 Tesla, e con correnti di uscita dell’ordine di 20A.Al momento, l’unico modo per soddisfare la prima richiesta e’ progettare alimentatori con induttori in aria, che pero’ hanno forzatamente due limiti: la bassa corrente in uscita, non superiore a pochi Ampere, e l’alta emissione di rumore elettromagnetico in uno spettro di frequenza da un centinaio di kHz a svariati MHz, che si sovrappone alla maggior parte dei segnali trattati dall’elettronica di front-end dei rivelatori. In Apollo ci si propone di studiare materiali magnetici che siano in grado di lavorare a valori di induzione magnetica residua (Br) fino a circa 2 T, ma con un basso valore di campo coercitivo (Hc) per ridurre le perdite dissipative.

Questi materiali devono, inoltre, resistere ad elevati campi di radiazioniordine di grandezza di 104 Gy di1013/cm2 di 1 MeV di neutroni equivalenti e 1012/cm2 di 20 MeV di adroni).

LA SCELTA DEI MATERIALI: LA SCELTA DEI MATERIALI: LEGHE FE-SILEGHE FE-SI

L’aggiunta di Silicio al Fe:

aumenta la resistività del materiale e riduce le perdite dovute alle correnti parassite

riduce i fenomeni di magnetostrizione;; riduce l’anisotropia magnetocristallina aumentando così la permeabilità; aumenta la resistenza e la rigidità della lega; riduce l’invecchiamento magnetico assicurando una maggiore stabilità nel tempo; sopprime il passaggio dalla fase alla fase del ferro, permettendo trattamenti ad alta temperatura.

POLVERI DI PARTENZAPOLVERI DI PARTENZA

Polvere Höganäs Belgium S.A. FeSi 68 HQ

Polvere Fe NV Metalpolveri SrL

Polvere H.C. Starck SIL A10Morfologie al SEM

Sono state investigate due tipologie di polveri: La polvere FeSi fornita dalla Höganäs Belgium Una miscela di polveri di Fe (fornita dalla Metalpolveri SrL (Italia)) e di Si (fornita dalla H.C. Starck (Germania)), nelle percentuali di 6.5 – 6.8 % (di Si).

La prima presenta una maggiore difficoltà di processo, soprattutto nelle fasi di trattamento termico.

LA TECNOLOGIA SVILUPPATA: MIM (Metal Injection Moulding)LA TECNOLOGIA SVILUPPATA: MIM (Metal Injection Moulding)

Individuazione degli additivi organici: 7 tipologie di sistemi “binder” (leganti)

Fase di miscelazione in turbo-mixer delle polveri metalliche individuate (90 % in peso) con le varie combinazioni di leganti prese in esame

15 tipi di compound (granulati) ottenuti mediante estrusione

Compoundazione:Compoundazione:

Miscelazione

CompoundazioneCompound

Lo stampaggio ad iniezione:

LA TECNOLOGIA SVILUPPATA: MIM (Metal Injection Moulding)LA TECNOLOGIA SVILUPPATA: MIM (Metal Injection Moulding)

.

Stampo progettato e realizzato ad hoc

Campioni stampati (con materozza)

I 15 tipi di compound realizzati sono stati testati mediante stampaggio ad iniezione con pressa Negri e Bossi NB 100 attrezzata con uno stampo progettato e realizzato appositamente.

I comportamenti in stampaggio di un compound termoplastico puro e di un compound per MIM sono molto diversi; i compound per MIM necessitano diverse messe a punto per individuare le condizioni di processo ottimali (compromesso fra elevata carica metallica e componente polimerica). Nel corso della sperimentazione sono state effettuate diverse modifiche allo stampo per migliorare la stampabilità e le caratteristiche dei componenti stampati.

La densità media dei campioni stampati si aggira sul 55- 60% della densità teorica della componente metallica.

DECERATURADECERATURA

Al fine dievacuare l’organico inserito per la fase di formatura, è necessario sottoporre i campioni a trattamenti termici di deceratura opportunamente studiati in termini di gradiente termico e atmosfera. La fase di deceratura va sino a 600 °C.

Per la messa a punto dei cicli di deceratura, vengono effettuate analisi termo-gravimetriche (TGA/DSC) sui vari compound impiegando la termo-bilancia DSC 1 della Mettler – Toledo.

La fase di deceratura è molto delicata, in quanto dal suo buon esito dipende la qualità del componente. Si sono incontrate molte difficoltà nella messa a punto della deceratura, soprattutto dei campioni ottenuti a partire dalla polvere Hoganas. Tali campioni tendono a collassare sotto l’effetto della temperatura, mano a mano che l’organico fuoriesce. Sono in corso test per ovviare a tale comportamento.

Esempio di difettologia riscontrata dopo trattamento termico, dovuta principalmente a mix di ricetta di compound e parametri di stampaggio non ancora ottimizzati.

Esempio di collasso della forma del campione e formazione di micro-bolle dovute alla non corretta evacuazione dei leganti (campione ottenuto a partire da polvere Hoganas). Confronto fra comportamento nei

primi stadi di deceratura di due campioni appartenenti a lotti diversi a gradiente di polvere Hoganas: adestra campione a base polvere Hoganas, a sinistra campione misto.

Analisi TGA/DSC su campioni stampati (lotto FeSi 6: polvere di base miscela realizzata in FN) – analisi in azoto

Analisi TGA/DSC su campioni stampati (lotto FeSi 6: polvere di base miscela realizzata in FN) – analisi in aria

Analisi TGA/DSC su campioni stampati (lotto FeSi 10: polvere di base miscela realizzata in FN) – analisi in azoto

Analisi TGA/DSC su campioni stampati (lotto FeSi 11: polvere di base Hoganas) – analisi in azoto

SINTERIZZAZIONESINTERIZZAZIONE

Cambiamento delle dimensioni dopo sinterizzazione dovuta al ritiro

Il trattamento di sinterizzazione, necessario per conferire al materiale le caratteristiche finali, inizia dopo la fase di deceratura e va sino a 1260 °C, preferibilmente in atmosfera riducente (si raccomanda H2 puro).Come accennato per la deceratura, soprattutto con la polvere Hoganas si sono incontrate diverse problematiche nel mantenimento della forma.L’ottimizzazione dei trattamenti di deceratura e sinterizzazione è in corso.

Campioni (ottenuti da polvere miscelata in FN) sinterizzati in diverse atmosfere a confronto

Campioni ottenuti a partire da polvere miscelata in FN (diversi parametri di stampaggio)

Campione ottenuto a partire da polvere Hoganas

Identificazione lotto compound

Tipo di polvere metallica

Tipo di legante organico

Estrudibilità Stampaggio Trattamenti termici

Esito dopo trattamenti termici

FESI 1 Hoganas 1 Ok (acqua) Stampo pilota, Discreto Ox Non ok

FESI 2 Hoganas 1 Ok (acqua) Discreto Ox Non ok

FESI 3 Hoganas 1 Ok (acqua) Discreto Ox Non ok

FESI 4 Hoganas 2 Ok (acqua) Discreto Ox Non ok

FESI 5 Hoganas 2 Ok (acqua) Stampo toroidale,Discreto

Ox e H2 Non mantiene la forma

FESI 6 Miscela FN 2 Ok (acqua) Stampo toroidale,Discreto

Ox e H2 Mantiene la forma ma non è densificato bene

FESI 7 Miscela FN 3 Ok (acqua) Stampo toroidale modificato,Discreto

Ox Non ancora ok

FESI 8 Miscela FN 4 no Prova di stampaggio diretto, non ok

no

FESI 9 Solo Fe 5 Ok (no acqua) Discreto Ox Non ancora ok

FESI 10 Miscela FN 6 Ok (no acqua) Altre modifiche stampo, Ok, Ox, Ar, H2 Campione un po’ deformato ma misurabile, densità migliorata ma non ancora in specifica

FESI 11 Hoganas 6 Ok (no acqua) Problemi nel riempimento dello stampo

H2 Non mantiene la forma

FESI 12 Hoganas 6 Ok (no acqua) Problemi nel riempimento dello stampo

no

FESI 13 Hoganas 7 Ok (no acqua) buono Ox, azoto (deceratura)

Non mantiene la forma

FESI 14 Misto 7 Ok (no acqua) buono Ar, Ox, azoto (deceratura)

In corso

FESI 15 Miscela FN 7 Ok (no acqua) buono Ar, azoto In corso

AZIONI PROSSIMEAZIONI PROSSIME

Completare la sperimentazione con mescole a gradiente di polvere Hoganas (mescole miste)

Ottimizzare i parametri di formatura con queste mescole

Confrontarsi con i tecnici della Hoganas per approfondire il comportamento della loro polvere

Ottimizzare i parametri e le condizioni di deceratura e sinterizzazione al fine di eliminare le difettologie incontrate: un handicap alle tempistiche di realizzazione è dato anche dal fatto di doversi appoggiare ad esterni per la sinterizzazione in H2 puro, non essendo FN dotata di tale attrezzatura; tale fattore comporta sia costi ulteriori sia la disponibilità degli esterni a trovare finestre temporali in cui effettuare i nostri cicli nei loro forni.

I cicli di deceratura sono piuttosto lunghi, FN è in grado di effettuarli nei propri forni, ma, poiché il componente decerato è molto fragile, nascono anche problematiche di trasporto, per cui l’ideale sarebbe effettuare il ciclo termico completo in un unico forno.

Ottenere campioni da sottoporre a caratterizzazione finale magnetica e ad irraggiamento

Progettare il componente definitivo in funzione degli esiti della sperimentazione

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

Analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) e con sonda EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), sulle polveri e sul prodotto sinterizzato in H2

Quantitative resultsW

eig

ht%

0

20

40

60

80

100

Si Fe

Quantitative results

Weig

ht%

0

20

40

60

80

100

C Si Fe

Analisi effettuata sulla polvere di partenza

Analisi effettuata sul campione (FESI 10, polvere miscelata in FN) sinterizzato in H2

Preliminary characterisation

Analisi magnetiche

La caratterizzazione magnetica è stata effettuata con il sistema sotto schematizzato su alcuni campioni di forma toroidale, sinterizzati ma non ancora completamente densificati.

Questi campioni appartengono ad un lotto di compound ottenuto a partire dalla polvere miscelata in FN (Fe Metalpolveri + Si HC Starck).

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

Curva B-H

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

Ciclo di isteresiCiclo di isteresi

Permeabilità magnetica

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

Alcuni campioni stampati, appartenenti al lotto FeSi 5 (polvere Hoganas) sono stati esposti ad irradiazione presso l’impianto Calliope di ENEA Casaccia. I test sono stati condotti ad un dose rate di 100 Gy/h durante due giorni di esposizione senza interruzione. La dose di 5 kGy è sufficiente per simulare, in prima approssimazione, la dose assorbita nelle condizioni reali d’esercizio.

Dalle analisi effettuate al microscopio elettronico a scansione non sono state notate modificazioni a parte qualche locale fusione della parte polimerica ancora presente nel componente stampato e non ancora sinterizzato.

Le analisi FT-IR non hanno rivelato alcuna variazione significativa negli spettri.

Le analisi magnetiche effettuate prima e dopo non hanno rivelato alcuna variazione.

Comportamento di campioni “verdi” (non ancora decerati e sinterizzati) sotto irraggiamento: test preliminari

Impianto di irraggiamento Calliope 60Co

Test preliminari di irraggiamento su campioni “verdi”: analisi al SEM

Prima dell’irraggiamento

Dopo irraggiamento

500 X 5000 X

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

FESI_5_c dopo irr.FESI_5_c prima dell’ irr.

FESI_5_c1 dopo irr.FESI_5_c1 prima dell’irr.

Spettroscopia FT-IR (Attenuated Total Reflectance analysis)

Spettrofotometro FTIRPerkin Elmer Spectrum 100

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

CARATTERIZZAZIONE MATERIALI COMMERCIALICARATTERIZZAZIONE MATERIALI COMMERCIALI

Si tratta di una ferrite di Mn e Zn

DIFFUSIONE RISULTATIDIFFUSIONE RISULTATI

“Radiation damage in soft ferromagnetic materials for enhanced inductor cores operating in extreme environments”

S. Baccaro, E. Ghisolfi, L. Mannarino, A. Morici

Presentato al 13° ICATTP Conference, Villa Olmo, Como, ottobre 2011 e pubblicato nei Proceedings

“A soft magnetic material for power supply systems of high energy physics experiments”

S. Baccaro, P. Cova, N. Delmonte, E. Ghisolfi, A. Lanza

Presentato al JEMS 2012, Parma, settembre 2012, in fase di pubblicazione nei Proceedings

CONCLUSIONICONCLUSIONI

La fase 2 dell’upgrade dell’LHC prevede di spostare gli alimentatori di potenza dalla posizione attuale direttamente sui detectors in condizioni di elevati campi magnetici e di irradiazione: per questo è necessario sviluppare materiali per nuclei magnetici in grado di operare in queste condizioni così severe.

Presso FN la ricerca su questi materiali è in corso.

I materiali in studio appartengono alla categoria delle leghe Fe-Si processate per MIM (Metal Injection Moulding)

Sono state individuate due tipologie di polveri: una pre-legata edun’altra ottenuta direttamente attraverso una miscela di Ferro e Silicio.

La scelta degli additivi organici necessari per la formatura è stata effettuata non solo per la formatura stessa ma anche tendendo conto della fase di deceratura.

Per ottenere i prototipi delle dimensioni previste dalle normative per la caratterizzazione magnetica, è stato progettato e realizzato uno stampo apposito.

Sono stati sviluppati i parametri di compoundazione e di stampaggio ad iniezione.

Le fase di deceratura e di sinterizzazione al momento appaiono le più critiche e la loro ottimizzazione è in corso.

La caratterizzazione preliminare effettuata ha mostrato una buona omogeneizzazione della componente organica con quella metallica.

I test preliminari di irraggiamento sui componenti stampati non hanno mostrato variazioni significative delle caratteristiche morfologiche, strutturali e magnetiche degli stessi componenti.

La caratterizzazione magnetica preliminare, effettuata su campioni ottenuti a partire dalla polvere miscelata in FN, ha mostrato interessanti valori, anche se non ancora pienamente rispondenti ai requisiti di progetto in quanto non si è ancora raggiunta la completa densificazione dei componenti, nonché l’eliminazione del C residuo derivante dalla deceratura.

Sono quindi in corso le ottimizzazioni di processo, soprattutto per quanto riguarda la deceratura e la sinterizzazione, a seguire verrà completata la caratterizzazione magnetica e ad irraggiamento.