Stato della produzione e caratterizzazione di nuclei per alto B E. Ghisolfi

1. WORKSHOP SU PROGETTO APOLLO Alimentatori di Potenza per aLti Livelli di radiaziOne Stato della produzione e caratterizzazione di nuclei per alto B E. Ghisolfi FN SpA Nuove Tecnologie e Servizi Avanzati INFN, Milano, 18 dicembre 2012

2. CONTENUTI • 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

3. PRESIDENTE EAMMINISTRATORE DELEGATO Stefania Baccaro CONSIGLIERE CON DELEGA TECNICA ALLE ATTIVITA’ TECNICO-GESTIONALI CONSIGLIERE CON DELEGA TECNICA ALLE ATTIVITA’ SULLA FUSIONE NUCLEARE Vincenzo Cincotti Aldo Pizzuto Servizio Prevenzione e Protezione Assicurazione Qualità Gestione Rifiuti Rapporti con il Territorio STAFF Amministrativo-gestionale Segreteria di Direzione Rilevazione ore personale Servizi generali Acquisti Amministrazione e controllo gestione Segreteria Tecnica/Archivio Gestione Servizi in outsourcing Materiali ceramici e compositi Celle a combustibile ad alta temperatura Ottenimento di H2 con catalizzatori LAB Laboratorio Analisi chimico-fisiche e strutturali LAM Laboratorio Metrologico e prove tecnologiche LAC Laboratorio materiali compositi e gestione impianto CVI UTR Ufficio Tecnico e Officina SPM Sviluppo Processi e Manutenzione AP Attività progettuali Magneti permanenti Area sperimentazione e dimostrazione FN S.p.A. Nuove Tecnologie e Servizi Avanzati Sede operativa presso il C.R. ENEA di Saluggia (VC) e stabilimento Bosco Marengo (Al) • Compagine societaria: ENEA 98.65 % Deposito Avogadro SrL 1.28 % Ansaldo Energia 0.07 %

4. COMPOSITI A MATRICE CERAMICA CERAMICI TECNICI AVANZATI BRASATURE SPECIALI - ITER CELLE A COMBUSTIBILE AD ALTA T BIOMASSE/BIOGAS PRODUZIONE DI H2 DA SOLARE TERMODINAMICO MAGNETI PERMANENTI E DOLCI Attività nei settori della fissione/fusione nucleare, dell’aerospazio, dell’energia e dei materiali innovativi 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.

5. MATERIALI CERAMICI E METALLICI 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. Campioni stampati in Al2O3 Compounding Tubo in SiC durante la fase di estrusione Forno di sinterizzazione Microstruttura al SEM di carburo di silicio (1000 X)

6. MATERIALI 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) 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. Tubo in CMC Analisi al SEM di superfici di frattura Impianto CVI Impianto CVI Nose-dome (CIRA) Fibra in SiC rivestita di C e SiC

7. MAGNETI PERMANENTI Plasto - neodimio Nd2Fe14B Microstruttura al SEM 100 X Isteresigrafo 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.

8. PARTECIPAZIONE A PROGETTI DI RICERCA NAZIONALI ED INTERNAZIONALI 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. Mock-up • 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. Componente in W/Cu

9. PARTECIPAZIONE A PROGETTI DI RICERCA NAZIONALI ED INTERNAZIONALI E PRINCIPALI COLLABORAZIONI Attività di ricerca e sviluppo nell’ambito dell’Accordo di programma MSE-ENEA in collaborazione con ENEA (fissione, fusione, biomasse). Progetto METISOL (finanz. dal MATT), capofila Centro Ricerche FIAT produzione di miscele metano-idrogeno (idrometano) mediante energia solare da impiegare come combustibile per automezzi. Progetto EFESO (Industria 2015), capofila MTS produzione 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 Italia Sviluppo materiali ablativi per impieghi aerospaziali. Progetto MANUNET (finanz. europeo), capofila FN sviluppo 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

10. GC/MS XRD LABORATORIO 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

11. LABORATORIO METROLOGICO E PROVE TECNOLOGICHE DUROMETRO • 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 ISTERISIGRAFO ROTONDIMETRO

12. LO 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 radiazioni (ordine di grandezza di 104 Gy di g, 1013/cm2 di 1 MeV di neutroni equivalenti e 1012/cm2 di 20 MeV di adroni).

13. LA SCELTA DEI MATERIALI: LEGHE 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 a alla fase g del ferro, permettendo trattamenti ad alta temperatura.

14. POLVERI DI PARTENZA • 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. Polvere Fe NV Metalpolveri SrL Polvere Höganäs Belgium S.A. FeSi 68 HQ Morfologie al SEM Polvere H.C. Starck SIL A10

15. LA TECNOLOGIA SVILUPPATA: MIM (Metal Injection Moulding) Compoundazione: 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 Miscelazione 15 tipi di compound (granulati) ottenuti mediante estrusione Compoundazione Compound

16. LA TECNOLOGIA SVILUPPATA: MIM (Metal Injection Moulding) Lo stampaggio ad iniezione: Campioni stampati (con materozza) Stampo progettato e realizzato ad hoc 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.

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

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

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

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

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

22. SINTERIZZAZIONE 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 Cambiamento delle dimensioni dopo sinterizzazione dovuta al ritiro

24. AZIONI 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

25. CARATTERIZZAZIONE Analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) e con sonda EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), sulle polveri e sul prodotto sinterizzato in H2 Analisi effettuata sulla polvere di partenza Analisi effettuata sul campione (FESI 10, polvere miscelata in FN) sinterizzato in H2

26. CARATTERIZZAZIONE 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).

27. CARATTERIZZAZIONE Curva B-H

28. CARATTERIZZAZIONE Ciclo di isteresi

29. CARATTERIZZAZIONE m Permeabilità magnetica

30. CARATTERIZZAZIONE Comportamento di campioni “verdi” (non ancora decerati e sinterizzati) sotto irraggiamento: test preliminari Alcuni campioni stampati, appartenenti al lotto FeSi 5 (polvere Hoganas) sono stati esposti ad irradiazione g 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. Impianto di irraggiamento Calliope 60Co

31. CARATTERIZZAZIONE Test preliminari di irraggiamento su campioni “verdi”: analisi al SEM Prima dell’irraggiamento 500 X 5000 X Dopo irraggiamento

32. CARATTERIZZAZIONE FESI_5_c dopo irr. FESI_5_c prima dell’ irr. Spettroscopia FT-IR (Attenuated Total Reflectance analysis) FESI_5_c1 dopo irr. FESI_5_c1 prima dell’irr. Spettrofotometro FTIR Perkin Elmer Spectrum 100

33. CARATTERIZZAZIONE MATERIALI COMMERCIALI Si tratta di una ferrite di Mn e Zn

34. DIFFUSIONE 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

35. CONCLUSIONI • 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.

36. 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.