The oxidation behavior of model binary and ternary alloys in supercritical water (SCW) was examined. Binary alloys contained 9 or 14 at% Cr. Ternary alloys had 1.5 at% of one of the following elements: Si, Al, V, Mn or Ti. Samples with different surface finishes were exposed to SCW for up to 500 hours. The oxidized samples were characterized using gravimetry, SEM, HRTEM and EDX. After exposure, a uniform double layer oxide with outwardly grown magnetite inwardly grown Fe-Cr mixed oxide was detected on most of samples. Alloys contains 14 at% Cr or/and 1.5 at% Si showed a mixed oxidation mode, where relatively thick double layer oxides coexisted with thin protective oxide. The coverage with the thin oxide increased with the increase of deformation and/or Cr and/or Si content. A 20 nm thick Si-enriched layer was detected at such alloy/oxide interfaces. This behavior is very similar to “third element effect”.

The oxidation behavior of model binary and ternary alloys in supercritical water (SCW) was examined. Binary alloys contained 9 or 14 at% Cr. Ternary alloys had 1.5 at% of one of the following elements: Si, Al, V, Mn or Ti. Samples with different surface finishes were exposed to SCW for up to 500 hours. The oxidized samples were characterized using gravimetry, SEM, HRTEM and EDX. After exposure, a uniform double layer oxide with outwardly grown magnetite inwardly grown Fe-Cr mixed oxide was detected on most of samples. Alloys contains 14 at% Cr or/and 1.5 at% Si showed a mixed oxidation mode, where relatively thick double layer oxides coexisted with thin protective oxide. The coverage with the thin oxide increased with the increase of deformation and/or Cr and/or Si content. A 20 nm thick Si-enriched layer was detected at such alloy/oxide interfaces. This behavior is very similar to “third element effect”.

[pt] A crescente demanda mundial por energia e a necessidade do controle de emissão de gás carbônico (CO2), principal gás responsável pelo aquecimento global, exigem o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de energia com menor emissão de CO2. O uso de fontes alternativas na produção energética está aumentando, mas não é suficiente para suprir a demanda, portanto o uso de combustíveis fósseis ainda é necessário. Neste contexto, o uso da oxicombustão em usinas a carvão em conjunto com a captura e sequestro de carbono (CCS) surge como uma alternativa às usinas convencionais a carvão, pois não emite CO2 na produção de energia. O processo de oxicombustão difere basicamente do convencional pela queima de O2 puro e gás reciclado ao invés de ar. Com isso uma atmosfera rica em CO2 e H2O é formada no boiler, podendo aumentar a corrosão dos materiais em contato com o gás. Este trabalho teve como objetivo investigar o comportamento em corrosão em alta temperatura de ligas de ferro submetidas a condições simples e duplas em atmosferas ricas em CO2. Ligas experimentais e comerciais de ferro com diferentes teores de cromo, cobalto e carbono foram expostas a atmosferas contendo CO2, H2O e SO2 a 600 graus Celsius durante 1000 horas. As amostras foram analisadas em condição simples, onde a amostra é exposta a um mesmo gás em todas as faces e em condição dupla onde a amostra é exposta a vapor d água de um lado e um gás do outro, criando um gradiente de hidrogênio na amostra. As amostras foram caracterizadas por MEV, MET, EDS e microscópio ótico. Os resultados demonstraram que há maior corrosão em condição dual que em condição simples. A maioria das ligas experimentais apresentaram menor oxidação que o aço comercial VM12 em atmosferas ricas em CO2. Entretanto o aço VM12 apresentou melhores resultados quando exposto ao vapor d água. / [en] The world s increasing demand for energy and the need to control carbon dioxide (CO2) emissions, the main gas responsible for global warming, requires development of new technologies to produce energy with lower CO2 emission. Use of alternative renewable sources in energy production is increasing, but not enough to meet the demand. Thus, fossil fuel is still necessary. In this context, oxyfuel together with carbon capture and sequestration (CCS) arises as an alternative to conventional coal-fired power plants, because it does not emit CO2 during energy production. The oxyfuel process differs from the conventional process by burning pure O2 and recycled fuel gas instead of air. Therefore, a CO2-H2O-rich atmosphere is formed in the boiler, increasing the materials corrosion in contact with this atmosphere. The objective of this work was to investigate the high temperature corrosion behavior of iron alloys subjected to single and dual conditions in CO2-rich atmospheres. Model and commercial iron alloys with different chromium, cobalt and carbon content were exposed to atmospheres containing CO2, H2O and SO2 at 600 Celsius degrees for 1000 hours. The samples were analyzed in single atmosphere condition, when all sample faces were exposed to the same gas, and in dual atmosphere condition where the samples were exposed to water vapor on one side, to a gas on the other, creating an hydrogen gradient in the sample. The samples were characterized using TEM, SEM, EDS and light microscope. Results showed different corrosion rates according to chemical composition and microstructure of the samples and gases. Results showed that corrosion is higher in dual condition than in single condition. Most of the model alloys presented less corrosion than commercial steel VM12 in CO2-rich atmospheres. However, steel VM12 presented better results when exposed to water vapor.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spaltreaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss ausgesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nanohärtemessungen und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Abhängigkeit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für ausgewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronenbestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernisstärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungsbedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungsreihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spalt-reaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss aus-gesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden ein-gesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nano¬härte¬messungen und Transmissions¬elektronen¬mikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Ab-hängig¬keit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für aus-gewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronen-bestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernis¬stärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungs-bedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungs-reihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersions-verfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

[pt] A redução na emissão de CO2 na atmosfera é um dos desafios atuais mais importantes enfrentados por diferentes indústrias no mundo. A geração de energia através da queima de combustíveis fósseis utilizando oxigênio puro [1], também chamada de tecnologia de oxicombustão, é uma opção utilizada pelas indústrias de geração de energia para minimizar os índices de concentração de CO2 até emissão ZERO [1,2]. Inevitavelmente, as tubulações dos trocadores de calor que conformam aquelas plantas de energia, sofrem corrosão em contato com os gases de combustão (H2O-CO2) em altas temperaturas. Estas tubulações, fabricadas com aço ou com ligas ferro-cromo vem sendo utilizadas no intuito de reduzir a corrosão. Tubulações com revestimentos/recobrimentos protetores tem sido também considerados para aumentar a resistência a processos corrosivos sem requerer o emprego de ligas de alto custo. Um revestimento adequado deve ser inerte e estável em altas temperaturas como é o caso dos materiais cerâmicos. A alumina, sendo um material estável em ambientes característicos do processo de oxicombustão apresenta características favoráveis para esta proteção [3]. Amostras de Fe-Cr foram oxidadas sob condições que simularam processos de Oxicombustão nos laboratórios do Bundesanstalt Für Materialforschung Und-Prüfung (BAM) Berlim-Alemanha. O processo ocorreu a 650 graus Celsius durante 2000 h, em atmosfera contendo 60 por cento CO2,30 por cento H2O, 7 por cento N2, 2 por cento O2 e 1 por cento SO2. A caracterização microestrutural das amostras oxidadas foi realizada nos laboratórios do instituto Nacional de Tecnologia (INT), utilizando técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios-X (EDS). Foram produzidos riscos na superfície do revestimento de Al2O3, previamente aos testes de oxidação, para simular falhas no revestimento; além da eficácia do revestimento de alumina, foi também avaliado o papel do cromo como meio protetor contra a corrosão e de outros elementos de liga no processo de oxidação do aço P92, buscando identificar o mecanismo de oxidação. Como resultado do fluxo dos gases de oxicombustão há formação de camadas de Fe3O4, Fe2O3 e cromo-espinélio nas ligas sem revestimento. As amostras que possuíam o revestimento de alumina apresentaram ótima proteção, com resultados de uma alta eficácia, enquanto as amostras que tinham riscos apresentaram uma oxidação interna de oxidação cromo-espinélio protetor na matriz logo abaixo da região afetada. / [en] The reduction in the emission of CO2 in the atmosphere is one of the most important problems faced by different industries in the world. The generation of energy from oxyfuel oxygen, [1], also called Oxyfuel technology, is a matter of CO2 emission for ZERO [1,2]. Inevitably, as pipes of the heat exchangers that make up these power plants, they suffer corrosion in contact with the flue gases (H2O-CO2) at high temperatures. These pipes, made of steel or iron-chromium alloys, are not used instead of reducing corrosion. Pipes with protective coatings have already been submitted to increase resistance to corrosive processes without requiring the use of high cost alloys. One which must be inert and static at high temperatures is the case of ceramic materials. An alumina, being a suitable material to the environments characteristic of the Oxyfuel process, presents characteristics favorable to the protection [3]. Fe-9Cr samples were oxidized under conditions that simulated Oxyfuel processes in the laboratories of the Bundesanstalt Für Materialforschung Und-Prüfung (BAM) Berlin-Germany. The process occurred at 650 degree Celsius for 2000 h, in an atmosphere containing 60 percent CO2, 30 percent H2O, 7 percent N2, 2 percent O2 and 1 percent SO2. The microstructural characterization of the oxidized samples was performed in the laboratories of the National Institute of Technology (INT), using Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Energy Dispersion Spectroscopy (EDS) techniques. Risks were produced on the Al2O3 coating surface, prior to the oxidation tests, to simulate coating failures; besides the effectiveness of the alumina coating, the role of chromium as a protective medium against corrosion and other alloying elements in the oxidation process of P92 steel was also evaluated, in order to identify the oxidation mechanism. As a result of the flow of oxyfuel gases, Fe3O4, Fe2O3 and chromium-spinel layers are formed in the alloys without coating. The samples that had the alumina coating presented optimum protection, with results of a high efficiency, while the samples that had scratches presented an internal oxidation of protective chromium-spinel oxidation in the matrix just below the affected region.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spalt-reaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss aus-gesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden ein-gesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nano¬härte¬messungen und Transmissions¬elektronen¬mikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Ab-hängig¬keit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für aus-gewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronen-bestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernis¬stärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungs-bedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungs-reihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersions-verfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spaltreaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss ausgesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nanohärtemessungen und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Abhängigkeit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für ausgewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronenbestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernisstärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungsbedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungsreihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

Les aciers appelés ODS (pour Oxide Dispersion Strengthened), renforcés par une dispersion homogène de nano-oxydes, sont des matériaux de structure avancés pour les futurs réacteurs nucléaires de fusion et de fission. En effet ces nano-oxydes, à base d’Y et Ti, servent comme centres de recombinaison de défauts ponctuels et d'obstacles aux mouvements des dislocations, améliorant de ce fait leur résistance aux radiations et aux températures élevées. La fabrication conventionnelle des aciers ODS est réalisée par broyage mécanique suivi de traitements thermo-mécaniques, et ne permet pas facilement de comprendre les mécanismes physiques conduisant à la précipitation des nano-oxydes, ce qui serait potentiellement utile pour optimiser leur production. La cinétique de formation de ces nano-oxydes peut être étudiée en utilisant une technique alternative, à savoir la synthèse par faisceaux d’ions, qui présente de nombreux avantages, notamment le contrôle précis des paramètres expérimentaux et la possibilité de décorréler divers facteurs contribuant à la cinétique de précipitation. Au cours de cette thèse, cette technique a été utilisée pour étudier la coprécipitation d'ions métalliques (Y et/ou Ti) et d'oxygène implantés dans un alliage modèle Fe-Cr de composition proche de celle typique des aciers ODS commerciaux. Des ions de Y, Ti et O à basse énergie ont été implantés dans des échantillons d'alliage Fe10wt%Cr de haute pureté à température ambiante. Les échantillons implantés ont ensuite été recuits à diverses températures entre 600 à 1100°C pour favoriser la précipitation de nano-oxydes, conformément au principe de cette technique. La microscopie électronique à transmission a été utilisée pour caractériser la structure cristallographique et la composition chimique des nano-oxydes formés lors de trois séries d'expériences. Tout d'abord, l'implantation séquentielle d'ions Ti et O a été mise en œuvre. Un recuit ultérieur a révélé qu’il n’y avait pas de précipitation d'oxyde de titane jusqu’à des températures inférieures à 1000°C, mais la présence de nano-oxydes riches en chrome avec une structure hexagonale de type corundum, qui contiennent une certaine quantité de Ti à des températures suffisamment élevées. Ce n’est qu’après le recuit à 1100°C que des nano-oxydes d’un autre type à cœur enrichi en Ti et coquille enrichie en Cr ont également été observés. Deuxièmement, l'implantation séquentielle d’ions Y et O a entraîné la formation à 800°C de nano-oxydes probablement riches en yttrium. Le recuit à 1100°C a favorisé la croissance des particules identifiées comme étant des nano-oxydes d’yttrium avec une coquille enrichie en Cr. Enfin, une implantation ionique séquentielle de deux ions métalliques (Y et Ti) a été réalisée, suivie d'une implantation d’O. L'ordre d'implantation des ions métalliques s'est révélé crucial pour la précipitation de nano-oxydes lors du recuit ultérieur. Lors de la séquence avec une implantation de Ti en premier, une précipitation d'oxyde riche en chrome de structure corundum hexagonale a été observée, très similaire au cas de l'implantation d’ions Ti et O. En revanche, la séquence avec une implantation d’ions Y en premier a produit des nano-oxydes d'yttrium-titane qui possèdent une structure non identifiable. En résumé, l’étude a démontré la faisabilité de la formation de nano-oxydes de Y, Ti et (Y, Ti) par implantation ionique. La thèse présente la caractérisation détaillée de ces nano-oxydes, ainsi que certaines de leurs caractéristiques spécifiques, telles que la présence de relations d'orientation entre les nano-oxydes et la matrice FeCr, qui ont été observées même dans le cas de nano-oxydes de type corundum riches en Cr. Enfin, les résultats obtenus, combinées avec les données de la littérature, sont discutées pour une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la formation des nano-oxydes dans les aciers ODS. / Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels, that is steels reinforced with a homogeneous distribution of (Y,Ti) oxide nano-particles, are advanced structural materials for nuclear applications. The oxide particles serve as point defect recombination centres and obstacles to dislocation motion thereby improving radiation resistance and high-temperature strength of these steels making them perfect candidate materials for future fusion and fission nuclear reactors. The conventional fabrication of ODS steels is achieved by mechanical alloying followed by thermomechanical heat treatments. This way of ODS steel production seems complicated to understand the physical mechanisms leading to the precipitation of nano-oxide particles. The kinetics of nanoparticle formation can be much better studied using an alternative technique of nanoparticle growth, namely Ion Beam Synthesis (IBS). This approach has many advantages including the precise control of experimental parameters and the ability to de-correlate various factors contributing to precipitation kinetics. A better knowledge gained in this way would be potentially helpful for optimization of ODS steel production routines. In the course of this PhD study, the IBS approach was applied to investigate the co-precipitation of metal (Y and/or Ti) and oxygen ions implanted into a model Fe-Cr alloy with the composition close to those typical for commercial ODS steels. Following the standard IBS schedule, consisting of ion implantation followed by high-temperature heat treatment, ions of Y, Ti and O at low energies were implanted into high-purity Fe10wt%Cr alloy samples at room temperature. The implanted samples were then annealed at various temperatures ranging from 600 to 1100°C to promote the precipitation of nano-oxide particles. A range of Transmission Electron Microscopy techniques were used to characterize the crystallographic structure and chemical composition of the nanoparticles. The study has been performed following three sets of experiments. First of all, the sequential implantation of Ti and O ions was implemented. Subsequent annealing at temperatures below 1000°C revealed that precipitation of titanium oxide was suppressed. Instead, chromium-rich nano-oxide particles with corundum hexagonal structure were found to precipitate. At sufficiently high temperatures these corundum particles were found to contain certain amount of Ti. Only after annealing at the highest temperature of 1100°C, particles of another type with Ti enriched core and Cr enriched shell were additionally fixed. Secondly, sequential Y and O ion implantation resulted in the formation of probable yttrium-rich oxides at 800°C. Annealing at 1100°C promoted their growth to larger sized yttria (Y₂O₃) particles with a Cr enriched shell. Finally, sequential ion implantation of both metal ions (Y and Ti) was performed, followed by O implantation. The order of metal ion implantation has been found to be crucial for subsequent oxide precipitation at the annealing stage. With the Ti implantation first in the sequence, the precipitation of corundum hexagonal chromium-rich oxide was observed, very similar to the case of Ti and O implantation. In contrast, implantation starting with Y produced yttrium-titanium oxide particles with unidentifiable structure. Summing up, the study has demonstrated the feasibility of the formation of Y, Ti and (Y,Ti) oxides by ion implantation. The thesis presents the detailed characterization of the nanoparticles, as well as the discovered specific features of precipitated particles, such as the presence of orientation relationships between the particles and the FeCr matrix, which was observed even for the case of Cr-rich corundum particles. Finally, the implications of the obtained results, in conjunction with the already known data from the existing literature, for the better understanding of the mechanisms involved in the formation of nano-oxide particles in ODS steels are discussed.

In the absence of a fusion neutron source, research on the structural integrity of materials in the fusion environment relies on current fission data and simulation methods. Through investigation of the Fe-Cr system, this detailed study explores the challenges and limitations in the use of currently available radiation sources for fusion materials research. An investigation of ion-irradiated Fe12%Cr using nanoindentation with a cube corner, Berkovich and spherical tip, and micro-cantilever testing with two different geometries, highlighted that the measurement of irradiation hardening was largely dependent on the type of test used. Selected methods were used for the comparison of Fe6%Cr irradiated by ions and neutrons to a dose of 1.7dpa at a temperature of 288°C. Micro-cantilever tests of the Fe6%Cr alloy with beam depths of 400 to 7000nm, identified that size effects may significantly obscure irradiation hardening and that these effects are dependent on radiation conditions. Irradiation hardening in the neutron-irradiated alloy was approximately double that of the ion-irradiated alloy and exhibited increased work hardening. Similar differences in hardening were observed in an Fe5%Cr alloy after ion-irradiation to a dose of 0.6dpa at 400°C and doses rates of 6 x 10^-4dpa/s and 3 x 10^-5dpa/s. Identified by APT, it was shown that increased irradiation hardening was likely to be caused by the enhanced segregation of Cr observed in the alloy irradiated with the lower dose rate. These observations have significant implications for future fusion materials research in terms of the simulation of fusion relevant radiation conditions and micro-mechanical testing.