48
MATTER MATERIALS TESTING AND RULES – Grant agreement for collaborative Project Co-funded by the European Commission under the Euratom Research and Training Programme on Nuclear Energy within the Seventh Framework Programme Grant Agreement no. 269706 Start date: 01/01/2011 Duration: 48 Months Guidelines for Corrosion Testing in Liquid Metals (Pb, LBE) Deliverable D3.4 Authors: Carsten Schroer (KIT) Contributors: Approval:

MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

  • Upload
    others

  • View
    26

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

 

MATTER

MATERIALS TESTING AND RULES – Grant agreement for collaborative Project

Co-funded by the European Commission under the Euratom Research and Training Programme on Nuclear Energy

within the Seventh Framework Programme

Grant Agreement no. 269706 Start date: 01/01/2011 Duration: 48 Months

Guidelines for Corrosion Testing

in Liquid Metals (Pb, LBE)

Deliverable D3.4

Authors: Carsten Schroer (KIT) Contributors: Approval:

   

Page 2: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

 

Page 3: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

III

MATTER project

EC Scientific Officer: Mykola Džubinský

 

Document title Guidelines for Corrosion Testing in Liquid Metals (Pb, LBE) Author(s)  

Carsten Schroer (KIT)

Number of pages 42 Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014

Level of Confidentiality  PU                      PP                        RE                     CO     

Document Version Final Summary  

The guidelines for corrosion testing in liquid Pb or LBE presented and discussed are mainly based upon the long lasting experience of the partners of Task 3.2 of the MATTER project, supplemented by  knowledge  retrieved  from  the  technical  literature.  They  include  the  characterisation  and monitoring of testing conditions, examples of experimental devices and testing facilities, as well as post‐test examination and quantification of corrosion damage. Results of the ongoing round robin on  corrosion  testing  cannot  yet be presented, but will be  reported  and discussed  in  form of  a supplement to D3.4 by the end of the MATTER project.  

Revisions Rev. Date Short description Main author (WP Leader) DP Leader

01

02

Page 4: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

IV

Distribution list

Name Organisation Comments Džubinský, Mykola EC Scientific Officer Agostini, Pietro ENEA Project Coordinator Utili, Marco ENEA Scientific Responsible  

Domain Leader – 4   Workpackage Leader – 15

Gavrilov, Serguei  SCK CEN  Domain Leader – 1 

Aiello, Giacomo  CEA  Domain Leader – 2 

Jürgen Konys  KIT  Domain Leader – 3 Workpackage Leader – 8 

Gelineau, Odile  AREVA  Workpackage Leader – 1 

Yong, Dai  PSI  Workpackage Leader – 2 

Lambrinou, Konstantza  SCK CEN  Workpackage Leader – 3 

Ancelet, Olivier  CEA  Workpackage Leader – 4 

Aktaa, Jarir  KIT  Workpackage Leader – 5, 7 

Barbieri, Giuseppe  ENEA  Workpackage Leader – 6 

Nilsson, Karl‐Fredrik  JRC  Workpackage Leader – 9 

Decarlan, Yan  CEA  Workpackage Leader – 10 

Maday, Francoise  ENEA  Workpackage Leader – 11 

Malerba, Lorenzo  SCK CEN  Workpackage Leader – 12 

Moreno, Anna  ENEA  Workpackage Leader – 13 

Sarra, Simona  ENEA  Workpackage Leader – 14 

Colombarini, Mara  ENEA  Assistant for the Project Organization

  

Page 5: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

V

Table of contents

1  Introduction ........................................................................................... 1 

2  Characterisation and monitoring of experimental conditions .............. 2 

  Sample material and specimens ............................................................................................ 2 2.1

  Testing conditions .................................................................................................................. 4 2.2

3  Oxygen content ..................................................................................... 7 

  Sensors for oxygen measurement ......................................................................................... 8 3.1

  Evaluation of sensor output ................................................................................................ 10 3.2

  Oxygen solubility in Pb or LBE .............................................................................................. 13 3.3

  Documentation and reporting of oxygen content ............................................................... 15 3.4

  Control of oxygen content ................................................................................................... 17 3.5

4  Experimental devices and facilities ...................................................... 19 

  Mounting, loading and unloading of specimens ................................................................. 19 4.1

  Static oxygen‐containing Pb or LBE ..................................................................................... 22 4.2

  Flowing oxygen‐containing Pb or LBE .................................................................................. 23 4.3

5  Post‐test examination .......................................................................... 26 

6  Quantitative analysis of corrosion ....................................................... 27 

  Modes of steel corrosion in oxygen‐containing Pb or LBE .................................................. 27 6.1

  Gravimetric versus metallographic quantification .............................................................. 29 6.2

  Metallographic method ....................................................................................................... 30 6.3

6.3.1  Pre‐test measurements ............................................................................................... 31 6.3.2  Post‐test measurements .............................................................................................. 33 6.3.3  Evaluation of measurements ....................................................................................... 37 6.3.4  Alternative determination of material recession ........................................................ 37 

7  Conclusions .......................................................................................... 38 

Page 6: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP
Page 7: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

1

1 Introduction 

Fundamental knowledge about the deterioration of structural materials  in the presence of  liquid lead  (Pb) or  lead‐bismuth  eutectic  (LBE)  is  essential  for  the  construction  and  safe operation of lead‐cooled reactors—pilot plants to be built in the near future as well as industrial‐scale reactors in the  long term. Given that the structural materials are metallic, namely steels, elements of the solid metal will dissolve  in the  liquid metal. Depending on whether this mass transfer affects the metallic  elements  in  proportion  to  their  concentration  in  the  solid material  or  is  selective  for specific constituents, the result  is either a recession of the material surface or development of a near‐surface depletion zone. Both  reduces  the  thickness of  the cross section capable of bearing the mechanical  load  acting on  the material,  and may  compromise other  functions  the material needs to fulfil as part of its service in the plant. Furthermore, a liquid metal in immediate contact may cause weakening of a  solid metallic material beyond  the  thinning of  the cross  section  that resulted  from  solution. A prominent example  is  the  so‐called  liquid‐metal embrittlement  (LME) that occurs for specific combinations of  liquid metal and solid metallic material, especially at  low temperature and  simultaneous action of mechanic  stress  in  the  solid material. The  latter  is not primarily  subject  of  the  guidelines  for  plain  corrosion  testing  introduced  and  discussed  in  the following, but some of the recommended practices are principally applicable to mechanical testing in  liquid‐metal environment as well.  In  flowing  liquid metal, corrosion may be superimposed by erosion, depending on the local flow pattern.  As important as understanding and quantifying the corrosion susceptibility of candidate materials is  testing  potential  methods  of  minimising  otherwise  prohibitive  degradation  caused  by interactions with  the  environment.  This may  be  a modification  of  the material  surface,  e.g.,  a coating with superior corrosion  resistance, or deliberate addition of substances  to  the corrosive medium  that  inhibit  the  detrimental  interactions with  the material.  At  high  temperature,  the inhibition  results  from  the  formation  of  new  compounds with  the material  constituents  rather than  plain  adsorption  onto  the  surface, which,  in  principle,  is  another  form  of  degradation  or corrosion.  But,  if  successful,  the  provoked  corrosion mode  is milder,  less  severe  than  in  the absence of the added  inhibitor. Examples of  inhibitors tried to minimise the solution of steels  in liquid Pb  [1] or bismuth  (Bi)  [1,2] are zirconium  (Zr) and titanium  (Ti). The  idea  is to  form a thin protective  layer  that  consists of  nitrides or  carbides of  the  inhibitors on  the  steel  surface.  The nitrogen (N) and carbon (C) in the steel serves as the source of these non‐metals required for scale formation.  Traces  of  oxygen  (O)  solved  in  the  liquid  metal  would  result  in  oxidation  of  the inhibiting  metals,  which  is  prevented  by  further  addition  of  magnesium  (Mg).  As  main  steel elements like iron (Fe) and chromium (Cr) are less noble than Pb or Bi that is the other constituent in LBE, also oxygen may be used as an inhibitor. In this case, the inhibition of steel solution results from  the  formation  of  surface  oxides  of  the  steel  elements.  The  oxygen  chemical  potential (concentration) has to be maintained at an optimum level that is sufficiently high for establishing a covering oxide  scale, but  low enough  so  that  the oxidation  rate  is not  too high and, especially, precipitation of Pb‐ or Bi‐oxides does not occur at any temperature within the system. Irrespective of whether  or  not  oxygen  is  deliberately  added  to  favour  oxidation  over  solution,  the  oxygen content of Pb or LBE is an important parameter of testing metallic materials in these liquid metals, 

Page 8: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

2

because precipitation of oxides of once solved metals counteracts saturation with  these metals, promoting their continuous solution.  The guidelines  for corrosion testing  in  liquid Pb or LBE presented and discussed  in the  following are mainly based  upon  the  long  lasting  experience  of  the  partners  of  Task  3.2  of  the MATTER project,  supplemented  by  knowledge  retrieved  from  the  technical  literature.  They  include  the characterisation  and  monitoring  of  testing  conditions,  examples  of  experimental  devices  and testing facilities, as well as post‐test examination and quantification of corrosion damage.  

2 Characterisation and monitoring of experimental conditions 

As  for any material  test,  the actual  (not only nominal!) experimental conditions with  respect  to both  characteristics  of  the  sample material  and  the  performed  test  need  to  be  assessed  and reported as detailed as possible. It is clear that unavailability of appropriate analytical instruments or  the  effort  in  terms  of  time  and money  requires making  compromises.  However,  especially corrosion  tests may  take  unexpected  turns  even  for  the  experienced  investigator,  resulting  in observations not anticipated,  indicating potential  factors of  influence not considered before  the experiment was  actually  performed.  Some  data  proving  valuable  in  hindsight will  then  not  be accessible anymore.  

Sample material and specimens 2.1

The sample material is fully characterised by the chemical composition, microstructure as well as residual stress  resulting  from  the  treatment during  the course of  the production process. While the  overall  chemical  composition  determines  in which  relative  amounts material  elements  are principally available for participating in corrosion processes, the microstructure and residual stress influence  the  supply  to  the  material  surface,  where  corrosion  takes  place.  At  elevated temperature,  the microstructure  and  stress  state may  change with  time,  concurrently with  the progress  of  corrosion.  It  should  be  noted  that  corrosion  possibly  is  sensitive  to  variations  in element  concentration  within  the  tolerance  of  the  material  specification,  especially  if  the underlying  elementary  processes  additionally  depend  on  other  material  characteristics  like microstructure.  The absolute amounts of material elements available are determined by the chemical composition along with  the geometric dimensions or mass of  the  specimen employed  in  the  test. Corrosion affects  the  material  from  the  surface,  so  that  the  surface‐to‐volume  ratio  or  the  smallest geometric dimension of  the specimen  is of some  importance  for  the exhaustion of  the material elements  participating  in  corrosion  processes,  especially  if  scale  formation  (e.g.,  oxide  scale formation) dominates [3–5]. Different performance of thin and thick metallic specimens in scaling processes  may  not  only  result  from  the  different  boundary  conditions  with  respect  to  the depletion of material elements, but also from the higher capability of thin specimens to deform, minimising mechanical stress that builds up  in the growing scale [6]. In practice, the geometry of 

Page 9: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

3

the specimens cannot always be freely chosen, but depends on the form of the sample material (sheet, plate,  rod,  tube … of  given  thickness or diameter)  available  for  testing  as well  as  limits imposed  by  the  capabilities  to  fix  specimens  in  or  introduce  into  the  testing  device  or  facility. Typical  geometries of  specimens  employed  in high‐temperature  corrosion  tests  are  rectangular coupons, circular discs, cylindrical rods as well as ring‐ and arc‐shaped specimens cut from tubes and pipes, respectively [7]. Sharp edges generally are sites of preferential corrosion. The curvature of the exposed surface may play a role when scale formation  is vital. Similar to deformation and residual  stress  in  the  volume  resulting  from  the  production  route  of  the  sample material,  the surface  finish  of  specimens  by  mechanical  milling,  turning,  grinding  or  polishing  affects  the material  state  in  a  near‐surface  zone  (to minimum  extent  in  the  case  of  polishing).  The  final cleaning,  especially  degreasing,  of  the  specimen  surface  is  usually  done  as  preferred  in  the respective laboratories, mainly ultrasonically in organic solvents like acetone or isopropyl alcohol. Subsequent hot‐washing  and  vapour degreasing  in purified  (pro  analysi)  isopropyl  alcohol have been  recommended  in  guidelines  for  high‐temperature  corrosion  testing  [7].  Near‐surface deformation and detergent molecules adhering onto the surface may have an impact especially on the  initial  stage  of  corrosion  processes.  The  progress  of  corrosion  in  following  stages  naturally depends on the outcome of the  initial stage. The same  is of course also true with respect to the practically  inevitable  contamination,  e.g.,  formation  of  adsorption  layers  on  a  freshly  prepared metal surface, during storage and handling of  the specimen between specimen preparation and starting the experiment.  For improved inter‐comparability of experimental results from different laboratories, the following characteristics of the employed specimens should be assessed and documented:  

(I) Material  Analysed chemical composition.      Final thermal or mechanical treatment.      Microstructure (at least qualitatively with help of     micrographs after etching). 

(II) Specimen geometry   Geometric dimensions.     Resulting volume and mass.      Exposed surface area. 

(III) Surface finish  Final treatment.       Peak‐to‐trough  roughness  (Rt)  and  centre  line     average roughness (Ra) [7]. 

(IV) Cleaning procedure (V) Storage of specimens after preparation 

 Some recommendations are:  

(a) Choose specimen geometry with mainly flat surfaces, a minimum of corners and length of edges per unit surface area exposed (e.g., discs [7]). 

(b) Smallest geometric dimension minimum 1–2 mm. (c) Provide a surface area between 4–6 cm² [7] (may be understood as minimum). (d) Round off corners and edges slightly [7]. 

 

Page 10: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

4

There is no systematic investigation of thin‐specimen effects for corrosion (oxidation) in Pb or LBE available so  far.  Indications of an effect have been  found primarily  for oxidation at 900°C  [6] or higher  [3,6]. The 1–2 mm minimum  thickness  stated as a  recommendation  is an estimate at or above which thin‐specimen effects seem unlikely to occur. This means that for significantly thinner specimens, and also  for  long‐term exposure, exhaustion of material elements or deformation of the specimen might have to be taken into account if scaling was the dominating form of corrosion. For calculating the exposed specimen surface, a determination of the geometric dimensions using a vernier calliper (sliding gauge) or hand‐held micrometer is, in general, sufficiently accurate. If the change of a characteristic  length  is used  for quantification of corrosion processes, more precise measurements may be required (see Section 6.3).  

Testing conditions 2.2

In  view  of  the  corrosion  phenomena  that  can  generally  be  expected  for  (metallic)  materials exposed to Pb or LBE, the following factors of influence are identified as important in addition to the specific combination of liquid metal and material under consideration:  

(I) Temperature  Thermo‐physical and  chemical properties of  the   liquid  metal  and  material  (elements),  namely    solubility  limits  or  oxide  stability.  Kinetics  of     corrosion  processes  and  diffusion  in  the  liquid     metal. 

(II) Liquid‐metal volume/mass or mass  Capacity  for  solution  of  material  elements. flow 

(III) Flow velocity  Mass  transfer  coefficients.  Convective  mass     transport. Erosion. 

(IV) Free liquid‐metal surface with  Potential sink or source of non‐metals  (oxygen). cover gas/gas composition  Precipitation  of  solved  elements  by  reaction     with gas components to form solid compounds. 

(V) Concentration of solved  Driving force for solution.   material elements 

(VI) Concentration of solved oxygen   Relative  driving  force  for  solution  or  oxidation    of  material  elements.  Correspondingly  strong     impact on observed corrosion mechanisms. 

(VII) Liquid metal containment/  Source of contamination of the liquid metal.   container material  Potential sink for solved elements. 

 This list is possibly incomplete or some factors may be negligible in the particular case, but it gives an idea of the potential complexity of materials testing in liquid Pb or LBE. The reliable evaluation of experimental  results and estimation of  the  ranges of validity  require  that potential  factors of influence  that  cannot  be  properly  controlled  are  at  least measured  and monitored  during  the experiment. A  rough quantitative assessment may already be helpful where  specific constraints prohibit precise measurements.  

Page 11: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

5

The sensitivity of corrosion processes to variations around the nominal temperature depends on the  thermal  activation  (activation  energy)  of  the  rate‐determining  elementary  step  in  the corrosion  mechanism.  Preferably,  the  temperature  adjacent  to  specimens  is  continuously monitored  during  the  course  of  the  experiment,  e.g.,  in  the  centre  of  a  single‐specimen arrangement  and,  additionally,  in  the  marginal  positions  when  a  number  of  specimens  are exposed simultaneously. Indicative allowable temperature variations are ±3°C at T < 600°C or ±4°C at 600°C <T < 800°C as for mechanical tests at elevated temperature according to DIN EN 10 002‐5: 1991  [8].  Alternatively,  the  temperature  profile  inside  the  testing  device  or  facility,  at  given temperature  indicated  by  the  sensor  (thermocouple)  used  for  temperature  control  may  be determined. As the overall thermal mass is important for the temperature distribution, respective measurements are best performed with all  the equipment  required  for  the  test and designated number of  specimens  installed.  It  is  clear  that  the  insulation of  the device  and position where temperature  is controlled should not be changed  in‐between determination of  the  temperature profile and conduction of the test.  If  saturation of  the bulk of  the  liquid metal  (global  saturation) with  solved material elements  is approached during  the  course of  the  test,  the  corrosion  rate may decrease or processes other than  solution  are  promoted  simply  because  of  the  limited  volume  of  liquid metal  available.  In general,  global  saturation  with  a  particular  element,  especially  the  major  constituent  of  the investigated materials,  is approached the earlier the  larger the overall surface area of specimens tested  simultaneously, or  the  smaller  the  liquid metal  volume or  volume  flow provided  for  the corrosion test. Solution on the inner wall surface of the containment of the liquid metal, from the specimen  support  or  other  internal  equipment  of  the  testing  device  or  facility  may  also   

Table 1 Equations for calculating the saturation concentration of selected metals in liquid Pb or LBE 

Solute  Solvent  Equation*  Validity range  Source 

Fe  Pb  log cFe;s  1.8244860

T  600°C < T <1300°C 

[9] See also [10]. 

Cr  Pb  log cCr;s  3.88 6949

T  900°C < T <1200°C  [11] 

Ni  Pb  log cNi;s  1.301381

T  370°C < T <800°C  [11] 

Fe  LBE  log cFe;s  2.0124382

T  550°C < T <779°C 

Interpolated from data in [9]. 

Cr  LBE  log cCr;s  –0.026949

T  400°C < T <550°C  [12] 

Ni  LBE  log cNi;s  1.701000

480°C < T <550°C Confirmed at 415°C < T <535°C 

[12]  [13] 

* Saturation concentration cs in mass%. Temperature T in K. 

 

Page 12: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

6

contribute  to  saturation with  some  elements  or  other,  unless  practically  inert materials were chosen  for  these  parts  of  the  experimental  set‐up.  A  persistent  driving  force  for  solution  of material elements can be produced by introducing a temperature gradient in the system, as, e.g., implemented  by  the  cold  leg  of  liquid‐metal  loops  used  for  exposure  to  flowing  liquid metal, where  solved  elements  partially  re‐deposit.  An  alternative  sink  for  solved  elements  is  the formation of solid oxides, either immediately at the material surface (scale formation) or in some distance, depending on the oxygen concentration profile in the liquid metal. The free liquid‐metal surface  is a preferred  site of  solid‐oxide  formation,  if covered by oxygen‐containing gas. Similar behaviour may be expected from other non‐metals (N, C …) which, however, did not yet become especially apparent, probably because of comparatively low solubility in Pb or LBE and, in general, higher  stability  of  solid  oxides  than  nitrides  or  carbides.  Furthermore,  precipitation  of  an intermetallic  phase  from  elements  of  different  materials  tested  simultaneously  or  with participation  of metals  introduced  via  non‐inert  experimental  equipment  has  to  be  taken  into account,  as well  as  plain  absorption  (e.g.,  transfer  of Ni  from  austenitic  to  ferritic  steels  after intermittent solution in the liquid metal).  Equations recommended for estimating the saturation concentration, cs, of major steel elements in  the absence of significant amounts of solved non‐metals or  formation of  intermetallic phases are presented  in  Table 1.  The  actual equilibrium  concentration,  ceq.,  that  constitutes  the upper limit  of  enrichment may  be  lower,  depending  on  the  concentration  (activity)  of  the  dissolving element in the particular material in contact with the liquid metal. Analogously, absorption is likely to  start  if  the  concentration  of  an  element  solved  in  the  liquid metal  passes  a  threshold  that depends on the concentration of this element in the absorbing solid.  When planning experiments  in  static  liquid metal,  the provided  volume of  liquid metal may be chosen  in proportion to the mass of the elements with high solubility  introduced  in  form of the tested  materials,  so  that  the  maximum  possible  enrichment  in  the  bulk  of  the  liquid  metal corresponds to only a small percentage of the saturation concentration. If the walls of the liquid‐metal containment or other components of the specific experimental set‐up are practically  inert, only  the  ratio of exposed  specimen  surface  to  available  liquid‐metal  volume  is decisive  for  the average enrichment of  the material elements,  in  addition  to  the envisaged exposure  time.  If  it turns out impossible to exclude global saturation with one or more material elements in advance, especially when  the  respective  solubility  is  low or because of non‐inert equipment,  the  testing conditions  with  respect  to  limits  imposed  on  solution  processes  may  be  characterised  using reference experiments on the pure elements (metals). Alternatively, the chemical analysis of the liquid metal  for solved material elements performed after the test, or estimating the amount of dissolution from observed section or mass loss of the specimens (in a practically inert set‐up) will give an indication for the level of saturation at the end of the experiment. However, it should be noted  that  the  low  solubility of  some material elements may  require non‐standard methods of chemical  analysis,  and  particularly  careful  probing  of  the  liquid‐metal  volume.  Experiments performed in flowing Pb or LBE, in a liquid‐metal loop (usually a steel construction of larger scale) with  comparatively  large  surface  of  non‐inert walls  of  the  tubing  or  other  components  of  the facility, naturally are harder  to characterise with respect  to  the concentration of solved metallic elements  than  tests  in  static  liquid  metal.  The  mass  flow  of  circulating  liquid  metal  and temperature  gradient  along  the  loop,  or  the  free  liquid‐metal  surfaces  covered  by  potentially 

Page 13: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

7

differently  composed  gas  are  factors  that  have  to  be  considered,  in  addition  to  the  size  and chemical composition of solid surfaces exposed to the liquid metal.  Because of  the prominent  role solved oxygen may play  for  the quantitative and also qualitative performance of metallic materials in liquid Pb or LBE, oxygen measurement and control, as well as the  characterisation  of  the  testing  conditions  with  respect  to  solved  oxygen  are  treated  in  a separate section.  

3 Oxygen content 

Oxygen solved  in  liquid Pb or LBE may actively participate  in corrosion processes by entering the material  (especially  via  grain  boundaries,  dislocations  or  other  defects  of  the  material microstructure)  or  formation  of  solid  oxides.  From  a  thermodynamic  point  of  view,  the  first  is likely to occur if the oxygen chemical potential, µO, or thermodynamic oxygen activity, aO, is higher in the liquid metal than in the material. The latter is possible only if aO passes a certain threshold above which  solid  oxides  of  the  elements  present  in  the  investigated material  (metallic  alloy) become  thermodynamically  stable. For a particular  solid binary oxide MexOy,  the  required aO  is minimum at maximum activity of  the  involved metal, aMe, and  increases with decreasing aMe as expressed by  aMe

xaOy  K  (1)

 (x, y and K denote the stoichiometry factors of the regarded binary oxide and constant solubility product of  this oxide  in  the  liquid metal,  respectively).  If oxygen  is uniformly distributed  in  the liquid metal, at a concentration higher than corresponding to the effective threshold of aO, solid oxide is likely to form at the material/liquid‐metal interface where aMe is generally higher than in the bulk of  the  liquid metal. However,  if  an oxygen  activity  gradient exists,  the  local aO  at  this interface may be  insufficient  for  solid oxide  formation  so  that, given a  significant  solubility,  the metal Me first dissolves in the liquid metal. The developing gradient of aMe in the liquid metal has opposite sign in comparison with the oxygen gradient. Hence, it is possible that Eq. (1) is fulfilled in some  distance  from  the material/liquid‐metal  interface,  where  solid MexOy  then  precipitates. Comparatively high mobility of Me in the liquid metal and an oxygen‐supplying cover gas make the free liquid‐metal surface a likely place for MexOy formation (less constraints on particle nucleation than  in  the  liquid‐metal  volume),  especially  when  the  liquid‐metal  volume  is  small.  The consumption of Me and oxygen in some distance from the material surface steadies the respective activity  gradients  and  counteracts  saturation of  the  liquid metal with Me. The net  result  is  the promotion  of  the  solution  (removal)  of Me  from  the material  to which  also  the  formation  of ternary  or  higher  oxides with  participation  of  further material  elements  or  constituents  of  the liquid metal may contribute. The deliberate addition of oxygen  to Pb or LBE  for  the purpose of corrosion protection aims at  sustaining an oxygen activity  in  the  vicinity of  the material  that  is sufficiently  high  for  formation  of  a  continuous  scale  of  solid  oxides  on  the material  surface, minimising  transfer  of material  elements  to  the  liquid  phase.  But  solid  oxide  precipitation  at opposing gradients of metal and oxygen activity  in  the  liquid metal may apply also  for material 

Page 14: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

8

elements  that  still  dissolve  from  the  oxide  scale,  analogously  to  oxide‐scale  fluxing  in molten sulphate  that was  intensively  studied  in  the past  [14].  It  should be emphasised  that  solid oxide formation on the material surface, at limited supply from the bulk of the liquid metal, may create the oxygen gradient that shifts the site of further oxide formation away from the material surface, and promotes solution of elements from the material, especially when the surface oxide does not (yet) form a continuous scale.  

Sensors for oxygen measurement 3.1

Sensors developed  for measuring oxygen  in  liquid Pb or  LBE work according  to electrochemical principles, making  use  of  the  difference  in  electric  potential  or  voltage  that  establishes when different  oxygen  chemical  potentials  prevail  at  opposing  surfaces  of  an  oxygen‐ion  conducting solid electrolyte  (potentiometric  sensor,  Figure 1).  The potentiometric measurement  requires  a 

high‐impedance  voltmeter  (> 1 G)  or  a  compensation  technique  that minimises  the  current  I flowing  in  the  electric  circuit.  For  I = 0  and  negligible  electron  transfer  in  the  solid  electrolyte (ie = 0),  the  indicated  voltage  U  corresponds  to  the  theoretical  sensor  output  E*  (zero‐current potential) that, however, may be superimposed by a thermoelectric voltage Uth, resulting from the use of different metals as electric leads [15]:  U E* Uth  (2) The oxygen chemical potential  in the  liquid metal µO;LM follows from the Nernst equation that,  in the most general notation, reads as  

E*μO;Ref μO;LM

2F 

(3)

 F denotes  the Faraday constant. µO;Ref  is  the known oxygen  chemical potential at  the  reference electrode of the sensor.  In the presented  form, Eq.  (3)  is valid  for the reference electrode being connected to the high‐voltage input terminal of the voltmeter (Figure 1).  Oxygen  sensors  that were  specifically designed  for use  in  liquid Pb or  LBE are described  in  the technical  literature  [16–19]. The particular  sensor consists of  the  reference electrode – either a metal/metal‐oxide couple or a gas electrode with a rigid wire serving as electric lead in both cases – that is encapsulated and in intimate electric contact with the solid electrolyte. The electric lead of  the  reference  electrode  and  the metallic  (steel)  housing  of  the  sensor  that  is  joined  to  the electrolyte are electrically insulated from each other. The head of the sensor housing provides the terminals (plug) for transmission of the sensor output,  i.e., the voltage that adjusts between the reference electrode and the sensor housing. Accordingly, the sensor housing has to be in electric contact  with  the  liquid  metal.  The  latter  may  be  easily  accomplished  for  a  fully  metallic experimental set‐up, but needs an auxiliary electrode when the liquid metal is, e.g., contained in a ceramic crucible. The thermoelectric voltage mentioned above depends on the materials used for the electric lead of the reference electrode (Lead A in Figure 1) and metallic container of the liquid metal or auxiliary electrode  (Lead B),  the  temperature of  the oxygen measurement  (T1) and  the 

Page 15: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

9

temperature T2. At  temperature T2 and below,  the electric  lead on both sides of  the electrolyte consists of the same material (Lead C).  The  electrochemical  measurement  of  oxygen  chemical  potential  can  be  regarded  as  highly accurate,  and  is  a  standard  method  of  determining  thermochemical  data.  However,  it  is recommended to test proper function of the sensor and interplay with the measuring instrument (voltmeter)  used  for  indicating  the  sensor  output.  Detailed  discussions  of  potential  sources  of error, required and proven accuracy of sensors can be  found elsewhere  [15,17–19]. The sensors are at best  tested at  the envisaged operating  temperatures  in  the device or  facility  that will be used for studying the material performance in the liquid metal, or a situation that comes as close as possible. A basic test against the oxygen chemical potential of metal/metal oxide equilibria, e.g., Pb/PbO, adjusted  in the Pb alloy under consideration  is sufficient [15,17]. Particular care should, however, be taken that the simulated oxygen potential coincides with equilibrium conditions and not a temporarily steady state close to equilibrium.     

 Figure 1: Schematic illustration of potentiometric oxygen measurement [15]. 

 

Page 16: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

10

Evaluation of sensor output 3.2

In general, the oxygen chemical potentials µO that occur in Eq. (3) are defined with reference to a certain  standard  state.  The  deviation  from  the  chemical  potential  in  this  standard  state, µO

0 ,  is 

considered by introducing the oxygen activity aO, i.e.,  µO µO

0 (T) RT lnaO  (4)

 where R and T are the universal gas constant and absolute temperature in Kelvin, respectively. It is clear that,  in Eq. (4), the activity  is unity  in the standard state of oxygen. For an  ideal gas phase, the oxygen partial pressure pO2 is the equivalent of the oxygen activity

1, as expressed by 

 

2µO µO2µO2

0 (T, p0) RT ln pO2

p0 

(5)

 Factor 2 on the right hand side has to be introduced since the oxygen dimere O2 is regarded. µO2

0  is 

the chemical potential of pure gaseous O2 at p0 = 1 bar (standard pressure) and prevailing T. The conversion of aO  into pO2, and vice versa,  is possible  if  the partial pressure  that corresponds  to 

μO µO0  (or aO = 1) is known: 

 

aOpO2

pO2;aO  1

 (6)

 If pure gaseous O2 at 1 bar and temperature of the measurement is assumed as the standard state of oxygen for both the reference electrode and oxygen solved in the liquid metal, combining Eqs. (2), (3) and (5) gives  

U Uth

RT

4F ln 

pO2;Ref

pO2

 (7)

 pO2;Ref

 is the oxygen partial pressure at the reference electrode, with clear correspondence to the 

composition for a gaseous reference system. For a reference system consisting of a metal/metal‐oxide couple, pO2;Ref

  is  the oxygen pressure  that corresponds  to  the chemical equilibrium of  the 

respective metal and oxide, and follows from the Gibbs free energy of formation of the oxide. The pO2

associated  to  the  liquid metal  (the  subscript  LM  is  omitted  here  and  in  the  following)  is 

equivalent  to  the oxygen partial pressure  that would prevail  in  a  gas phase  that  is  in  chemical equilibrium with the  liquid metal at the site of the oxygen measurement. Substituting aO for pO2

 

results in                                                        1 In general, the fugacity is the equivalent of activity in the gas phase. Identifying the fugacity with partial pressure is an approximation that  is strictly valid only for an  ideal mixture of  ideal gases. Fugacity and partial pressure may be considered synonymously as long as no explicit values are inserted, so that the more familiar partial pressure is used in the derivation of equations. 

Page 17: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

11

 

U Uth

RT

4F ln 

pO2;Ref

aO2 pO2;aO  1

 (8)

 There is a direct link between the stability of a (solid) oxide and the pO2

 in Eq. (7) via the Gibbs free 

energy  of  formation  of  the  oxide  or,  more  precisely,  the  corresponding  thermodynamic equilibrium constant. Hence, stating U – Uth along with  the reference electrode of  the particular sensor  is  already  sufficient  for  a  basic  characterisation  of  the  conditions  with  respect  to  the potential  for  formation  of  solid  oxides  in  the  liquid metal.  For  improved  inter‐comparability  of oxidation  potentials  resulting  from  measurements  performed  with  different  types  of  oxygen sensors, i.e., different reference electrodes, it seems advantageous to define a standard reference electrode  (SRE), equivalent  to  the common practice  in aqueous corrosion where such potentials are usually specified with reference to the standard hydrogen electrode. According to Eq. (7), the conversion to a SRE is  

USRE U Uth

RT

4F ln 

pO2;Ref

pO2;SRE

 (9)

 with pO2;SRE

denoting the oxygen partial pressure assumed for the SRE. 

 The conversion of sensor output  to either molar or mass concentration of oxygen  is mandatory only if quantitative information on the amount of solved oxygen or the change in this amount with time and site of measurement  is required. The basis for this conversion  is the validity of Henry’s and  Sievert’s  law  up  to  the  saturation  concentration  of  oxygen  at  the  temperatures  under consideration so that  cOcO;s

xOxO;s

aOaO;s

  (10)

 or  

cOcO;s

pO2

pO2;s

 (11)

 aO;s and pO2;s

denote the oxygen activity at saturation and oxygen partial pressure  in a gas phase that is in equilibrium with oxygen‐saturated liquid metal, respectively. cO and xO are the mass and molar  concentration  of  solved  oxygen,  respectively, with  cO;s  and  xO;s  corresponding  to  oxygen saturation. As oxygen  is a  light element  in  comparison with  the major  constituents  in Pb alloys and,  additionally,  oxygen  solubility  in  the  liquid  alloys  is  quite  low,  the  ratio  of  oxygen molar concentrations in Eq. (10) has nearly the same value as the respective ratio of mass concentrations which  is also used  in Eq.  (11). pO2;s

  is the threshold oxygen partial pressure  for  formation of the 

most  stable  oxide  of  the  liquid‐metal  constituents  that,  for  liquid  Pb,  clearly  is  lead monoxide 

(PbO). From a thermodynamic point of view, the red‐coloured modification ‐PbO is likely to form 

Page 18: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

12

at < 489°C, while yellow ‐PbO  is more stable at higher temperature, up to the melting point of PbO  at  886°C  [20].  It  can  be  assumed  that  PbO  is  also  the  oxide  in  equilibrium with  oxygen‐saturated  LBE,  for  which  there  is  experimental  evidence  from  electrochemical measurements performed at 360–740°C [21] and equilibration of PbO (at 600–800°C, [22]) or ternary Pb‐Bi oxides (at 550°C, [23]) with oxygen‐saturated LBE. For known standard Gibbs free energy of formation of 

PbO, ∆fGPb/PbO0 , and Pb activity, aPb, pO2;s

 calculates as 

 

ln pO2;s

∆fGPb/PbO0

RT2 ln aPb 

(12)

 

where  ∆fGPb/PbO0   refers  to  the  formation of  the pure oxide  from pure  liquid Pb  and 1 mol pure 

gaseous O2 at 1 bar and temperature under consideration. The term containing aPb on the right‐hand  side  of  Eq.  (12)  vanishes  for  liquid  Pb,  but  has  to  be  considered  for  Pb  alloys  like  LBE. Thermodynamic data for calculating pO2;s

 is compiled in Table 2. 

 The equations introduced so far allow for estimating the mass concentration of solved oxygen, cO, and,  analogously,  the molar  concentration  xO,  from  the  output  of  an  electrochemical  oxygen sensor besides a factor that corresponds to the inverse of the respective saturation concentration    

Table 2 Thermodynamic data for calculating pO2;s

 

  Validity range  Source 

Standard Gibbs free energy of formation of ‐PbO:     

∆fGPb/α‐PbO0 438.11 

kJ

mol0.1326

kJ

mol KT  T < 489°C  [20] 

Standard Gibbs free energy of formation of ‐PbO:     

∆fGPb/β‐PbO0 434.88 

kJ

mol0.1374

kJ

mol KT  489°C < T < 886°C  [20] 

∆fGPb/β‐PbO0 437.96 

kJ

mol0.19926

kJ

mol KT  339°C < T < 838°C  [24] 

Only yellow oxide was observed in this temperature range.

Pb activity in liquid LBE:     

ln aPb  0.82912166.80

With T in Kelvin. 

Above the melting point of LBE. 

Derived from data compiled in [25]. See also [10,26]. 

Page 19: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

13

at  the  temperature of  the measurement.  It  is clear  that  the  reliability of oxygen concentrations calculated  from  the  sensor output  strongly depends on  the accuracy with which  the  saturation concentration is known or the reliability of the value assumed for the calculations. Thus, equations proposed for estimating oxygen solubility in Pb or LBE deserve a detailed discussion.  

Oxygen solubility in Pb or LBE 3.3

The numerous experimental  investigations on oxygen solubility  in  liquid Pb that were performed before  1998  have  been  reviewed  and  analysed  by  Risold  et  al.  [20].  Interpolation  of  oxygen solubility  in  liquid Pb given for the melting point of Pb (327.5°C) and the temperature at which a PbO‐rich melt starts to form (884°C; Table 8 of the cited reference), gives  

Pb:  log cO;s 3.144971

(13)

 

for oxygen solubility in mass% (with T in Kelvin). An apparently slight influence of whether ‐ or ‐PbO  forms  in  equilibrium  with  the  oxygen‐saturated  melt  was  neglected.  More  recent measurements of oxygen  solubility  in  the  temperature  range  from  542  to  817°C performed by Ganesan et al. [21] give  

Pb:  log cO;s 3.215100

(14)

 At >550°C,  the difference  in  the calculated oxygen concentration between  these equations  is of the order of 10–20% (Figure 2). Extrapolating Ganesan’s data to the melting point of Pb, however, results  in  by  about  30%  lower  values  in  comparison  to  Risold’s  analysis.  Thus,  a  reasonable correspondence  and,  therefore,  reliability of both  equations,  can be  stated only  for  the higher temperatures. At  lower temperatures, the reliability of the available data on oxygen solubility  in liquid Pb is unclear [20]. Other equations proposed for estimating the oxygen solubility in liquid Pb (see, e.g., [27,28]) can finally be traced back to experimental data included in Risold’s analysis. The equation stated by Müller et al. [28] results from a re‐evaluation of the data compiled by Risold et al., but considers oxygen measurements at lower and higher temperature as equally reliable [29]. A  fair  correspondence  to Eqs.  (13) and  (14)  is  limited  to  temperatures between about 650 and 750°C, while the predicted oxygen solubility is significantly higher in comparison to Eq. (13) or (14) at  lower temperature (Figure 2)2. As oxygen  is a  light element and oxygen solubility  is fairly  low, the conversion of mass concentration (mass‐%) into molar concentration (at‐%) in liquid Pb is  

Pb:  xO cO MPb

MO 

(15)

                                                       2 Yet another equation has been proposed by Efanov et al. [30], i.e., log cO;s = –1.36 – 1274/T. Oxygen concentration calculated from this equation corresponds to results from Risold et al. or Ganesan et al. quite well at temperatures between  about  550  and  600°C.  Thus,  it may  be  argued  that  the  equation  presented  by  Efanov  et  al.  bases  on measurements  in  this  temperature  range.  Deviations  from  other  equations  increase  to  two  and  three  orders  of magnitude at 850°C and the melting point of liquid Pb, respectively. 

Page 20: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

14

 Figure  2:  Oxygen  solubility  cO;s  in  liquid  Pb  as  a  function  of  temperature  according  to  the evaluation of experimental data performed by Risold et al. [20], the equation stated by Müller et al. [28] or more recent measurements by Ganesan et al. [21]. 

  where MPb and MO denote the molar mass of Pb and oxygen, respectively.  Experimental  data  on  oxygen  solubility  in  LBE  that  was  available  before  2007  cover  the temperature  range  from  360  to  800°C.  The  evaluation  of  this  data  on  the  basis  of  the  typical temperature dependence gives  

LBE:  log cO;s 2.624416

(16)

 for  the oxygen solubility  in LBE as a  function of  the absolute  temperature  in Kelvin  [10,31]. Lim [26] arrives at a similar result in his analysis of data produced by Ganesan et al. [21], i.e.,  

LBE:  log cO;s 2.994711

(17)

 The predictions from Eqs. (16) and (17) deviate from each other by  less than 10% at about 450–600°C. The difference  increases to about 20% at 350 and 750°C, respectively  (Figure 3). Another equation usually  referred  to as Orlov’s equation considers only data obtained at 470 and 520°C (open  squares  in  Figure  3),  so  that  the  correspondence  with  other measurements  of  oxygen solubility  is quite  good  in  this  temperature  range, but deviations become  considerable  at both higher and lower temperature. A completely different approach was followed by Müller et al. [28],   

Page 21: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

15

 Figure 3: Oxygen  solubility cO;s  in LBE as a  function of  temperature  including experimental data produced  by Orlov  et  al.  [32], Ganesan  et  al.  [21]  and  Kishimoto  et  al.  [22];  results  from  data evaluation by Schroer et al. [10,31] and Lim [26]; as well as the equation derived by Müller et al. [28]. 

  who derived the oxygen solubility in LBE from the oxygen solubility in pure Pb and Bi. The values calculated  from  the  resulting  equation,  however,  clearly  underestimate  the  experimentally determined  oxygen  solubility,  by  about  half  an  order  of  magnitude  or  more  (Figure  3).  The conversion of mass concentration (mass‐%) into molar concentration (at‐%) in liquid LBE is  

LBE:  xO cO 0.45 MPb 0.55 MBi

MO 

(18)

 where MPb, MBi and MO denote the molar mass of Pb, Bi and oxygen, respectively.  

Documentation and reporting of oxygen content 3.4

For characterising the exposure conditions of materials tested  in  liquid Pb or LBE with respect to the stability of certain oxides, it is sufficient to state the output of an oxygen sensor, temperature of  oxygen measurement  and  type  of  reference  electrode. Due  to  the  particular  importance  of oxide  scale  formation  and  also  the  type  of  oxides  formed  for  further  progress  of  corrosion, comparatively  short‐term  variations  in  oxygen  content  may  have  long‐term  effects  on  the observed material performance  [33],  so  that  it  is  recommended  to monitor  and  record oxygen data  over  the  entire  runtime  of  the  exposure  experiment,  and,  especially,  document  observed   

Page 22: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

16

   Figure 4: Example of documenting oxygen sensor output and calculated oxygen concentration as a function of the runtime of an experiment during which different material specimens were exposed simultaneously or consecutively for various times. 

  variations. An instructive example how sensor output observed during the course of the exposure of  particular  specimens  may  be  summarised,  is  presented  in  Figure  4.  Estimating  the corresponding  oxygen  concentration  is  mandatory  only  if  oxygen  consumption,  transfer  and transport or, more generally, oxygen mass balances need to be considered, explicitly or implicitly. The latter is, e.g., the case if, in a non‐isothermal experimental set‐up, oxygen content is measured in a distance from the exposed specimens where temperature significantly differs from the testing temperature of the investigated materials.  In  view of  the ambiguity  that  still exists  for  some of  the  thermochemical data  required  for  the conversion to oxygen concentration, especially the saturation concentration  in Pb or LBE, details on  the  oxygen  metrology  applied  and  conversion  factors  used  are  mandatory  additional information when reporting calculated oxygen concentration. Otherwise, a fair estimation of the reliability of  the  stated  concentration  and  inter‐comparability of  studies performed  in different laboratories  are  questionable.  Data  needed  for  conversions  besides  oxygen  solubility  can  be regarded comparatively accurate, possibly with the exception of aPb in LBE (Table 2). The following list is a suggestion which mathematical relations to use for calculations of oxygen concentration in liquid  Pb  or  LBE  from  the  output  of  electrochemical  oxygen  sensors,  but may  be  subject  to amendments based on future re‐determination of the underlying thermochemical properties: 

Page 23: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

17

(I) Calculation of oxygen partial pressure from the output of an electrochemical sensor  

log pO2

p0 log 

pO2;Ref

p020,159

K

VU Uth

T  (19)

Eq. (7) with R   8.31451 J mol–1 K–1 and F   96485.31 C mol–1. U – Uth in Volt. T in Kelvin.  (II) Specific equations for most commonly used reference electrodes  

Pt air:⁄ log pO2

p00.67890 20,159

K

V

U Uth

T  (20)

With concentration of O2 in dry air of 20.946 vol%.  

Bi Bi2O3⁄ :log pO2

p010.231

0.67890 K

T20,159

K

V

U Uth

T  (21)

With reference oxygen partial pressure calculated from the standard Gibbs free energy 

∆fGBi/‐Bi2O3

0 388.9 kJ

mol0.1959

kJ

mol KT 

for formation of ‐Bi2O3 from pure liquid Bi and 1 mol pure gaseous O2 at 1 bar and temperature under consideration. T in Kelvin. Range of validity: 299–715°C [34].  (III) Oxygen mass concentration, cO, as a function of oxygen partial pressure for liquid Pb and LBE  

Pb: logcO

mass%

1

2 log 

pO2

p01.9940

6338.1 K

T  (22)

Eqs. (11) and (12) with cO;s according to Eq. (14) and ∆fGPb/PbO0  for ‐PbO from source [24] (Table 

2). R   8.31451  J mol–1  K–1  and  aPb   1.  Eq.  (14)  as well  as  the  assumed  ∆fGPb/PbO0   are  in  good 

agreement  with  the  results  of  other  studies  [21,24].  Especially  for  cO;s  in  Pb,  a  thorough  re‐evaluation of existing data or supplemental measurements at T < 550°C seem useful.  

LBE: logcO

mass%

1

2 log 

pO2

p02.9441

6949.8 K

T  (23)

Eqs. (11) and (12) with cO;s according to Eq. (16) and ∆fGPb/PbO0  for ‐PbO from source [24] (Table 

2). R   8.31451  J mol–1 K–1 and aPb calculated using  the equation presented  in Table 2. Eq.  (16) meets  the  singular  experimental  data  point  available  at  low  temperature  better  than  Eq.  (17) (Figure 3).  

Control of oxygen content 3.5

A straight forward way of influencing the amount of oxygen solved in liquid Pb or LBE is guiding a stream of oxygen‐containing gas over the free liquid‐metal surface. If the oxygen partial pressure in the gas is higher than corresponding to the current activity of oxygen solved in the liquid phase, 

Page 24: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

18

oxygen  is  transferred  from  the  gas  stream  to  the  liquid metal  and  vice  versa.  Such  gas/liquid oxygen  transfer  has  been  applied  to  material  tests  in  static  Pb  or  LBE  contained  in  ceramic crucibles  [35] as well as conditioning a  relatively  large mass of LBE circulating  in a  loop  [36]. By altering  the  oxygen  content  of  the  gas  systematically  in  response  to  the  output  of  an  oxygen sensor,  oxygen  solved  in  the  liquid metal  can  be  controlled  to  a  pre‐defined  level.  In  general, oxygen will have to be added continuously so as to compensate for the consumption by oxidation of metallic sample materials or containment of the liquid metal, while, during the course of a pre‐conditioning phase, excess oxygen may have to be removed. In the latter case, supply of oxygen‐lean gas, e.g., with high percentage of hydrogen (H2), is required. In order to maintain the desired content of solved oxygen at reasonable flow of gas, the oxygen partial pressure in the gas that is introduced  into  the  testing  device/facility  can  be  relatively  high, most  likely  because  of  rapid diffusion in the gas space above the liquid phase [36]. Good experience has been made with using technical argon  (Ar) as a carrier gas,  to which a certain amount of air  is  intermittently added  in response to the measured oxygen content [15,36]. Bubbling through the liquid‐metal volume is an alternative to guiding the gas over the  liquid‐metal surface [37]. The appropriate volume flow of gases naturally depends on experimental parameters like temperature or size of metallic surfaces exposed to the liquid metal (as well as the hold‐up volume of gas above the liquid‐metal surface), but  usually  is  in  the  range  of  5–500 Nccm/min  for  the  carrier  gas,  and  0.5–5 Nccm/min  for intermittent  addition  of  air  or  another  gas  mixture  with  comparable  oxygen  content.  For automatic oxygen control,  it proved useful  to always supply a small amount of H2  to  the carrier gas.  As  safety  regulations  usually  limit  the  hydrogen  content  in  gases  for  use  in  regular laboratories  to  5 vol%,  pre‐conditioning  larger  volumes  of  Pb  or  LBE  in  reasonable  time may require a flow rate of hydrogen‐containing gas in the order of 1000 Nccm/min or more. Especially in a  larger  loop  facility,  intermittent addition of hydrogen  to  the gas may be  required, e.g.,  for removal of oxygen released from oxides that deposited along the flow path of the liquid metal.  An alternative  to gas/liquid oxygen  transfer  is  the supply of oxygen  to  liquid Pb or LBE via solid oxides,  especially  PbO  [38,39].  This method  is  routinely  used  to  control  the  amount  of  solved oxygen  in  loop  facilities  operated  in  Russia.  In  dependence  of  the  actual  output  of  an  oxygen sensor, the circulating liquid metal is guided through a bed of PbO pebbles to compensate for the oxygen consumption in the loop. For the respective oxygen‐transfer device residing in a bypass of the main  liquid‐metal  duct,  a  variable  percentage  of  the  liquid‐metal  flow may  be  redirected through  the  solid oxide, either  intermittently or  continuously. Another option  is  to provide  the solid oxide  in a perforated and movable  cage  that may be  introduced  into or pulled out of  the main flow  in dependence of the actual need for oxygen. Solid/liquid oxygen transfer as reported so  far  requires  flowing  liquid metal. An  adaptation  to  smaller  experimental  set‐ups with  static liquid  metal  seems  theoretically  possible,  but,  in  practice,  may  require  significantly  higher experimental effort than using oxygen‐containing gas. A second mass‐transfer device is needed for enabling the removal of excess oxygen, e.g., by introducing hydrogen‐containing gas or a metallic oxygen getter. 

Page 25: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

19

4 Experimental devices and facilities 

Smaller  testing devices or  larger  facilities  that have been operated  in  laboratories specialising  in investigations  on  the  material  performance  in  liquid  Pb  or  LBE,  were  mainly  developed  for characterising  corrosion  of  the  tested  materials  for  a  fixed  set  of  experimental  parameters (temperature,  chemical  potential/concentration  of  oxygen,  flow  velocity …),  but  also  allow  for simulating  transient  conditions  with  respect  to  one  or more  of  these  parameters.  The  finally chosen  practice  often  is  a  compromise  between  accuracy  of  testing,  i.e.,  significance  of  the findings  for  the  materials  behaviour  under  the  nominal  conditions,  and  the  feasibility  and efficiency of  the experiments. E.g.,  the simultaneous exposure of several specimens of different materials (steels) clearly improves the time‐efficiency of testing, especially in the lack of a definite candidate  material  for  later  application  in  the  plant,  at  the  cost  of  a  hardly  quantifiable contamination of the liquid metal with solved steel constituents. The same will be true when non‐inert experimental equipment is in contact with the liquid metal. Performing short‐ and long‐term exposures  at  the  same  time  requires  disturbing  or  interrupting  periodically  the  long‐term exposures  for  exchanging  specimens with  shorter  exposure  time, with  potential  effects  on  the integrity of the formed corrosion (oxide) scales resulting from  intermittent cooling, handling and re‐heating.  

Mounting, loading and unloading of specimens 4.1

The high mass density of liquid Pb or LBE in comparison to the exposed materials requires specific means of positioning and  fixing  the specimens appropriately  in  these  liquid metals. The method that  appears most  viable will  depend  on  the  available  sample material,  i.e.,  the  shape  or  size specimens that may be produced. Amongst other factors, the mounting of specimens chosen for the test determines how to load specimens into or unload from the testing device or facility. Some instructive examples will be discussed below.  Figure  5  shows how  specimens may be  fixed  in  ceramic  crucibles,  for  exposure  to  static  liquid metal  under  cover  gas.  The  restrictions with  respect  to  the  shape  of  tested  specimens  are  a minimum. Filling  the crucible with  liquid metal and arranging  the  specimen  is done at best  in a glove box or  similar, under appropriate atmosphere. A ceramic pin  inserted  through  small bore   

 Figure 5: Flat material specimen fixed in a ceramic crucible. 

Page 26: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

20

 Figure 6: Arrangement of specimens provided with bore holes using rigid wires as support [1]. 

  holes  in  both  the  specimen  and  crucible  keeps  the  specimen  in  the  desired,  upright  position. Subsequently,  one  or more  of  such  crucibles  are  transferred  into  the  furnace  and  brought  to exposure  temperature.  Providing  the  specimen  with  bore  holes  opens  various  options  of stabilising  the  specimen  in  the  wanted  position  during  the  exposure  to  the  liquid metal.  An arrangement of rectangular specimens and supporting molybdenum (Mo) wires that was used  in exposure experiments performed in a small natural convection loop [1] is sketched in Figure 6. If it is not easily possible to pull out wires or pins after the experiment, e.g., because of solidified liquid metal, they may simply be cut and snapped off, respectively.  Alternatively, screw threads provided on one or two opposing ends of the specimen may serve as the connection  to a  sample holder and  facilitate combining  several  specimens  for  simultaneous exposure,  respectively.  It  seems  possible  to weld,  solder  or  otherwise  join  some material  that allows for cutting a screw thread, to a sample of arbitrary geometry, but, preferably, the sample material itself is thick enough for producing specimens with screw thread(s). Cylindrical specimens   

 Figure  7:  Cylindrical  specimen  provided  with  external  and  internal  screw  thread  as  well  as  a flattened surface for applying a wrench. 

Page 27: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

21

of 3 mm diameter and external screw thread cut along half of the specimen length were used for exposure experiments  in  static  LBE  [40]. The  LBE  resided  in  an  alumina  crucible heated  in pre‐conditioned atmosphere, inside a glove box. The specimen was screwed to a steel lid covering the opening of the crucible. The type of specimen shown in Figure 7 is used for exposure experiments in a larger loop facility operated with LBE [41]. A number of such cylinders with both external and internal  screw  threads are  combined and  joined with a  rod  so as  to  install  the arrangement of specimens  in  the  centre  of  a  vertical  section  of  the  tubing  of  the  loop. When  a  part  of  the introduced  specimens  has  reached  the  designated  exposure  time,  the  port  for  the  specimen mount is opened and the rod removed. After unscrewing the respective lot of specimens or adding another lot of fresh specimens, the rod is re‐introduced into the test‐section of the loop. The port for installing and removing specimens resides inside a glove box, under controlled atmosphere, so that  contamination  of  the  LBE,  especially  with  oxygen,  is  kept  to  a  minimum.  The  rod‐type arrangement  seems  appropriate  for  inserting  specimens  into  pre‐heated  and  pre‐conditioned liquid metal in the case of tests in either flowing or static liquid metal, at minimum disturbance of the  conditions  inside  the  experimental device or  facility.  Ingress of  liquid metal  into  the  screw joints  may,  however,  loosen  connections  at  operating  temperature,  as  a  consequence  of corrosion. Unscrewing will require careful and local heating if a joint cools down below the melting point of the liquid metal.  If flat specimens are to be exposed to flowing Pb or LBE, the design of a cartridge that contains the specimens and is introduced into the testing facility, may be an option. The example illustrated in Figure 8 was produced from Mo, and inserted into a horizontal section of a loop operated with LBE [42].   

 Figure  8:  (a)  Sample  holder  designed  for  taking  up  rectangular  material  coupons  and  (b) introduction into a horizontal section of a liquid‐metal loop [42]. 

Page 28: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

22

Static oxygen‐containing Pb or LBE 4.2

Corrosion  testing  in  static  Pb  or  LBE  needs  an  appropriate  container  for  the  liquid metal  and fixture of the  investigated specimens. Actively  influencing the chemical potential (concentration) of  solved oxygen  requires  separating  the  liquid metal  from  the  laboratory atmosphere. At best, the oxygen potential is continuously monitored using a sensor inside the liquid‐metal pool.  In the COSTA facility depicted  in Figure 9, the separation of the  liquid metal from the  laboratory atmosphere  is  achieved  by  inserting  ceramic  crucibles  loaded with  liquid metal  and  specimen (Figure  5)  into  a  quartz  glass  tube  that  resides  in  a  horizontal  furnace.  The  furnace  provides independently  heated  zones  allowing  for  performing  experiments  at  different  temperatures simultaneously. The atmosphere  inside  the glass  tube  is manipulated by  introducing a gas  flow variably  composed of Ar  (carrier  gas), H2  and water  vapour.  The nominal pO2  follows  from  the 

adjusted hydrogen‐to‐water ratio  that  is monitored by an oxygen meter  in  the exhaust gas  line, and exposure temperature. With the assumption of chemical equilibrium between gas phase and liquid metal, this pO2 corresponds to a concentration of solved oxygen that is given by Eqs. (22)and 

(23), for liquid Pb and LBE, respectively. Monitoring the actual oxygen potentials that prevail in the single  crucibles would  require miniaturising  the oxygen  sensors  currently used  for  liquid metals and transmitting the signals to voltmeters outside the furnace.    

      (a) 

      (b) 

Figure  9:  (a)  Side  view  of  COSTA  showing  four  horizontal  furnaces  equipped with  quartz  glass tubes designed for exposure of material specimens to static liquid metal under flowing cover gas, and  (b)  carrier  for  inserting  and  removing  ceramic  crucibles  that  contain  the  liquid metal  and specimen. 

Page 29: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

23

 

 Figure  10:  Experimental  capsule  for  testing  cylindrical material  specimens  in  oxygen‐containing static Pb or  LBE as developed  for  the  round  robin performed  in  the  framework of  the MATTER project. 

  In the case of the testing device that has been developed for the round robin on corrosion in static oxygen‐containing  LBE  performed  in  the  framework  of  the MATTER  project,  the  crucible  that contains the liquid metal is housed in a capsule made of type 316 austenitic steel (Figure 10). The lid  of  the  capsule  provides  a  port  for  introducing  and  removing  the  tested materials  using  a specimen mount  that basically  is a Ø6 mm  steel  rod. Other ports allow  for  inserting an oxygen sensor, a Mo wire as an auxiliary electrode  for  the oxygen measurement, a  thermocouple  (in a one‐end‐closed alumina  tube) as well as an alumina  tube  for bubbling oxygen‐rich or  ‐lean gas mixtures through the liquid metal. The crucible holds about 700 g LBE. The maximum gas flow that may be guided  through  the device  is  limited by spilling of  the  liquid metal. For  the  round  robin experiments, 5 ml/min of either Ar or Ar‐5 vol% H2 were used. Controlling the oxygen potential in the  liquid metal  by  varying  the  oxygen  content  of  the  gas  in  response  to  the  sensor  output  is possible.  

Flowing oxygen‐containing Pb or LBE 4.3

Early  experiments  in  flowing  Pb  or  LBE  were  performed  in  comparatively  small  and  compact natural  convection  loops, made of  low  alloyed  steels  [43] or quartz  glass  (silica)  [44].  The  flow velocity that could be achieved in these loops was << 1 m/s, so that mainly conditions allowing for solution  and  re‐precipitation  of  elements  in  a  temperature  gradient  between  hot  and  cold  leg were simulated, rather than a significant impact of flow immediately on the corrosion occurring at the material surface. Especially in the silica loops, the concentration of oxygen solved in the liquid 

Page 30: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

24

metal had to be kept low, by pre‐conditioning using hydrogen‐containing gas or addition of oxygen getters like Mg, so as to prevent softening and failure of the glass at elevated temperature [45]. In the case of the steel loops, the loop itself was the corrosion specimen. The target quantity was the time  to plugging of  the cold  leg at variable maximum  temperature and  temperature difference, 

T, along the loop, with and without addition of corrosion inhibitors, e.g., Zr [43]. The loops made of practically inert silica were loaded with dedicated specimens in the hot leg, or both hot and cold leg [1,45], that were evaluated after exposure.  In the testing apparatus illustrated in Figure 11, natural convection of the liquid metal is supported 

by gas lift. The set‐up is heated from the bottom so as to maintain a T between bottom and top [46].  Proper  characterisation  of  the  conditions  inside  the  device  requires  computational  fluid dynamics  and  verification  by  measurements,  but  the  advantage  of  combining  gas  lift  with gas/liquid oxygen transfer is obvious.  Forced‐convection loops driven by either mechanical or electromagnetic pumps usually are larger facilities  if compared with typical  laboratory devices. The flow velocity that can be achieved  is  in the order of some m/s. An example  is the CORRIDA  loop (Figure 12), with a developed  length of 36 m,  and  approximately 1000 kg  LBE  circulating  at  a mass‐flow  rate of 5.3  kg/s during  regular    

 Figure 11: Corrosion apparatus for liquid metal with convection partially forced by gas lift [47]. 

Page 31: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

25

 

      (a)  (b) 

Figure 12: (a) Schematic illustration and (b) side view of the CORRIDA loop that has been operated since 2013 with oxygen‐containing LBE at a maximum temperature of 550°C. 

  operation.  The  tubing  and  the  other  components  are made  of  17‐12  Cr‐Ni  steel  (DIN W.‐Nr. 1.4571). CORRIDA is equipped with a gas/liquid mass exchanger for oxygen transfer as well as four oxygen sensors distributed along the  loop [15,36]. The sensor at the  inlet of the first test‐section (Sensor 3 in Figure 12a) is used for controlling the content of solved oxygen, and characterising the exposure  conditions  for  the  specimens  that  reside  in  the  test‐sections.  The  decrease  of  solved oxygen in the bulk of the flowing liquid metal while passing the specimens is monitored with help of Sensor 4, residing after the second test‐section. Both test‐sections are positioned in the hot leg, allowing  for  a  maximum  exposure  temperature  of  550°C  that  corresponds  to  the  maximum operating temperature of the loop. The minimum temperature along the loop is 385°C at 550°C of 

the hot  leg, resulting  in T   165°C. The minimum  temperature decreases sub‐proportionally  to 

the  temperature  in  the  hot  leg,  and  is  around  350°C  at  both  450  (T   100°C)  and  400°C 

(T   50°C). The material tests are performed on the cylindrical specimens shown in Figure 7 that reside in the centre of the two vertical test‐sections. Up to 17 of such specimens are combined to a rod that is introduced into the pre‐conditioned LBE at reduced power of the pump. The loop has achieved a total operating time around 80,000 h, mainly at 550°C  in the hot  leg and 10–6 mass% solved oxygen, and an effective operation time (with specimens in the test section) of more than 60,000 h.  The  austenitic  steel  used  as  construction material  of  the  loop  is  naturally  prone  to corrosion or erosion by  the  flowing  liquid metal.  Local  failure of  the  tubing occurred  first after total operation  for about 29,000 h  close  to  the Y‐shaped  inlet piece of one of  the  test‐sections [48], probably promoted by the complex flow pattern in this position. A clear corrosion damage on a straight section of the tubing (of 2.5 mm  initial thickness) was observed not before 66,000 h of operation [49].  

Page 32: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

26

5 Post‐test examination 

Methods  routinely  applied  to  characterising material  specimens  after  exposure  to  a  corrosive environment  are  light‐optical  (LOM)  and  scanning  electron microscopy  (SEM)  supplemented by semi‐quantitative energy‐dispersive X‐ray analyses  (EDX)3. Such examinations are usually applied to metallographic  cross‐sections,  revealing  the  structure  of  formed  corrosion  scales,  including changes in structure of the material in a near‐surface zone, down to the upper sub‐micron range. The spatial resolution of the EDX analysis  is,  in general,  in the range of 1 µm, but finally depends on  the diameter and other parameters of  the electron beam used  for excitation as well as  the investigated material. For the preparation of cross sections, the corroded specimens will have to be  cut,  mounted  in  resin  and  prepared  by  grinding  and  polishing.  Standard  metallographic procedures  and  aqueous  lubricants may  be  used.  The  removal  of  adherent  Pb  or  LBE  prior  to preparation  is  not  recommended,  as  the  solidified  liquid metal  covering  the  surface  helps  to conserve  fragile  corrosion  scales, minimising  scale  spalling  or  detachment  during  cutting  and grinding. At the same time, potential artefacts from stripping the corroded specimen surface are avoided.  In  order  to  prevent  re‐melting  and  re‐distribution  of  solidified  liquid  metal  in  the corrosion  scale,  hot‐mounting  resins  and  embedding  at  increased  pressure  should  be  avoided, especially  for specimens with adherent LBE. The,  in general, softer cold‐mounting resins may be strengthened  by  stirring  in  oxide  powder  (e.g.,  aluminia)  before  pouring  into  the  mould. Emphasising  structural  changes  in  the material may  require  etching  of  the  cross‐section.  It  is generally  recommended  to prepare  and  investigate  a  second  cross  section of  the  specimen,  in addition to the one used for the main characterisation work, so as to check for phenomena that have not been found in the primarily examined cross section.  For examining patterns of  localised corrosion, phase analysis using X‐ray diffraction  (XRD) or the investigation of  thin  surface  scales not easily visualised  in  the  cross  section, a  covering  layer of adherent Pb or LBE needs to be removed. Thicker films of LBE may be re‐melted by immersing the specimen  for a short time  in hot  fat, glycerine or similar agents  (at around 150°C). Remnants of LBE that did not drip off during the immersion can be wiped away by carefully rubbing or dabbing at  the  surface with a cotton cloth or  tissue paper while  the  specimen  is  still hot. A  subsequent cleaning  in an appropriate organic detergent  (alcohol, acetone …)  removes  the greasy  film  that remains on the surface. Ultrasonic cleaning should be applied with care. Adherent Pb with higher melting  point  than  LBE may  be  stripped  off  in molten  LBE  at  around  350°C,  followed  by  the procedure  for  removing  solidified  LBE.  Alternatively  or  if  further  cleaning  is  required,  a  1:1:1 mixture of hydrogen peroxide  (30% aqueous  solution), concentrated acetic acid  (>96% aqueous solution) and ethanol removes thin films or stains of Pb or LBE during immersion for 10–20 min at room temperature. Simultaneous application of ultrasound reduces the time required for cleaning, but  increases  the  risk of destroying corrosion  (oxide)  scales  formed on  the  specimen  surface as well as further corrosion of the material.  

                                                       3  See  [50–53]  for  reviews of  analytical methods or preparation  techniques  that have  general  applicability  to high‐temperature corrosion studies. 

Page 33: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

27

The  application  of  transmission  electron  microscopy  (TEM)  or  advanced  surface  analytical methods  like  Auger  electron  spectroscopy  (AES),  X‐ray  photoelectron  spectroscopy  (XPS)  and other  is  indicated  when  clearly  sub‐micron  structures  or  very  thin  surface  films  need  to  be analysed  in  detail.  However,  the  gain  in  information  has  to  be  weighed  against  the  higher preparatory effort in comparison with the analysis by SEM/EDX. The analysis of surface layers with AES or XPS requires cleanliness in terms of adherent Pb or LBE that may not be achievable with the introduced procedures. 

6 Quantitative analysis of corrosion 

The main goals of analysing corrosion experiments quantitatively are providing objective data for inter‐comparison  of  the  performance  of  different  materials  as  well  as  attaining  a  deeper understanding of the relative importance of elementary steps that determine the overall corrosion mechanism.  The most  appropriate method  of  quantification  clearly  depends  on  the  particular corrosion phenomena observed.  It should be emphasised that the absolute amount of corrosion and,  in some cases, also the occurring corrosion modes may differ  for experiments at nominally the  same  testing  conditions,  but  performed  in  different  testing  devices  or  facilities.  Also  for repeated tests  in the  identical experimental set‐up, deviations of the quantitative characteristics by 30–40% are not unusual. The latter probably results from the number of factors that potentially influence  the progress of  corrosion,  some of which are hard  to be  reproduced exactly. While a material  that  shows  superior performance  in  corrosion  tests  is  likely  to behave better  than  the respective reference material(s) also during service in an industrial plant, the level of improvement may  differ  from  the  expectation  from  the  tests.  However,  the  kinetics  of  corrosion  processes observed  in  laboratory  tests at different boundary  conditions  is a  valuable  input  to generalised models aiming at a quantitative approach to the more complex in‐service situation.  

Modes of steel corrosion in oxygen‐containing Pb or LBE 6.1

In the absence of solved oxygen, the major steel elements tend to dissolve in liquid Pb or LBE. The removal  in  the  sense  of  a mass  transport  away  from  the  steel  surface may  be  selective  for elements  exhibiting  a  relatively  high  solubility  in  the  liquid metal.  A  thin  surface  layer  of  pre‐formed oxide may protect  the steel  from solution, but  is prone  to  thermo‐mechanical  failure or degradation  caused  by  the  liquid metal.  In  this  case,  corrosion  based  on  the  solution  of  steel elements is likely to start locally, at defects of the once protective surface layer. The persistence of the  surface  layer  increases  with  increasing  concentration  in  the  steel  of  elements  that  form exceptionally stable oxides, like Cr, aluminium (Al) or silicon (Si). Oxygen solved in liquid Pb or LBE generally stabilises pre‐formed surface oxides and, additionally, stimulates the formation of new oxide.  At  not  too  high  temperature,  the  material  loss  accompanying  the  formation  of comparatively slow growing oxides of Cr, Al or Si are negligible (< 1 µm in material thickness) even after considerable exposure time to oxygen‐containing Pb or LBE (Figure 13a). Depending on the composition  and microstructure  of  the  steel  as well  as  the  particular  exposure  conditions,  the presence of a  thin oxide  layer  that protects  the  steel elements  from both  solution  in  the  liquid 

Page 34: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

28

metal and  further oxidation  (protective scaling) may be a  long‐lasting phenomenon observed at least locally.  Oxide  scales based on  Fe oxides grow  considerably  faster  than  the  thin protective  scale. These scales  typically consist of  two  layers  (Figure 13b) which are outward growing magnetite  (Fe3O4) and  inward  growing  Fe‐Cr  spinel  (Fe[FexCr1‐x]2O4  with  0 < x < 1).  Another  feature  of  the,  in comparison to protective scaling, accelerated oxidation may be an  internal oxidation zone  (IOZ), formation of which  then precedes  the  inward  growth of  the  spinel  layer.  Solution of  Fe  in  the liquid metal and transport away from the oxide scale surface potentially causes the overall scale thickness  to  be  lower  than  corresponding  to  the  amount  of  steel  consumed  by  corrosion processes. In specific cases, when transfer to the liquid metal of Fe that arrives at the oxide scale surface  clearly  outweighs  the  formation  of  new  oxide,  the  outer  magnetite  layer  may  be completely missing. Especially  for  steels with  comparatively  low  content of elements  that  form literally protective oxides, accelerated oxidation will be the general corrosion process that affects the major portion of the surface. Other steels possibly show accelerated oxidation only locally, in the form of oxide‐filled pits, even after prolonged exposure to oxygen‐containing Pb or LBE.  Processes,  in  the  course  of  which  steel  elements  initially  dissolve  in  the  liquid metal,  are,  in general,  associated  to  significantly  higher  material  loss  than  both  protective  scaling  and accelerated oxidation. A necessary pre‐requisite is direct contact, i.e., a common interface of liquid metal and steel.  If none of the  liquid‐metal constituents  is capable of forming a separating  layer along with  the elements available  in  the steel, such a solution‐based corrosion  is  likely  to affect the entire  steel  surface, unless  an  at  least  temporarily protective  film on  the  steel  surface has established  before  the  exposure.  In  the  latter  case  or  for  conditions  in  favour  of  oxidation, solution‐based  corrosion  starts  locally, where  a  pre‐formed  protective  film  or  the  oxide  scale grown in‐situ failed. Instructive examples are shown in Figure 14.   

       (a)  (b)  

Figure 13: Modes of oxidation observed on steels after exposure to oxygen‐containing Pb or LBE: (a) Protective scaling on 316L after exposure for 10,021 h to flowing LBE at 550°C, 10–6 mass% of solved oxygen and flow velocity of 2 m/s; (b) accelerated oxidation as found on T91 after exposure for 8039 h to flowing LBE at 450°C, 10–6 mass% of solved oxygen and flow velocity of 2 m/s. 

Page 35: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

29

 

       (a)  (b)  

Figure  14:  Examples  of  solution‐based  corrosion  observed  on  steels  after  exposure  to  oxygen‐containing  flowing  LBE  at  550°C,  10–6 mass%  of  solved  oxygen  and  flow  velocity  of  2 m/s:  (a) Selective leaching of Ni and Cr from 316L after exposure for 10,021 h; and (b) oxidation after initial solution of steel elements as found on T91 after exposure for 7518 h. 

 

Gravimetric versus metallographic quantification 6.2

For quantifying the corrosion processes occurring during exposure to oxygen‐containing Pb or LBE, tracing the mass change or the change of geometric dimensions may be taken  into account. The gravimetric method requires determining the mass before the test, which  is,  in general, possible with 6–7 significant digits, corresponding to a reading accuracy of 0.1–0.01 mg for a mass  in the order  of  grams.  Mass  changes  measured  on  specimens  with  different  geometric  dimensions become  inter‐comparable or can be  transferred  to arbitrary geometries only when referring  the results  to  the  surface  area  that was  exposed  to  the  corrosive  environment.  Knowledge  of  the geometric dimensions with an accuracy of a few percent seems appropriate for sufficiently precise calculation of the area‐specific mass change. Conversion of area‐specific mass change into change of geometric dimensions requires the density of the tested material  if mass  loss of material was determined, average mass density of steel elements  in the formed corrosion scales  if  increase  in mass by formation of adherent corrosion products was measured.  The  metallographic  quantification  is  performed  on  the  cross  section  of  the  material  after exposure. For this purpose, the tested specimen needs to be cut, mounted in resin and prepared by grinding and polishing, as exactly as possible parallel to the specimen dimension the change of which will be evaluated. Especially for rectangular specimens, the prepared cross section may be deliberately  tilted  relative  to  this dimension by a certain angle  so as  to  increase changes  in  the characteristic  length or  the  thickness of corrosion scales by a determined  factor.  In some cases, e.g., when  the  consumed  steel elements are  found quantitatively  in a well‐adherent and dense corrosion (oxide) scale, it will be possible to calculate all the characteristics of corrosion from the thickness of this scale with sufficient accuracy. In general, it is, however, necessary to retrace the initial  position  of  the material  surface  for  determining  the  recession  of  unaffected material  or 

Page 36: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

30

increase  in geometric dimensions. This requires either marking the position of the  initial surface appropriately  [35] or measuring a  characteristic  length of  the  specimen before  the experiment. The accuracy with which this dimension of the specimen needs to be determined is in the order of a few µm at a total  length  in the mm‐range. Equally high requirements have to be made on the production  tolerance  of  specimens,  especially with  respect  to  the  uniformity  of  the  evaluated geometric dimension.  In  contrast  to  quantification  based  on  measurements  on  the  cross  section  of  the  corrosion specimen,  gravimetry  delivers  an  average measure  of  corrosion.  Local  phenomena  need  to  be quantified  by  additional measurements  on  the  cross  section,  evaluation  of  surface  topography after cleaning from corrosion scales or comparison of average mass change as a function of time with  the predictions  from model approaches  to  local corrosion  [54].  If  the  increase of specimen mass will be evaluated, adherent Pb or LBE can significantly disturb the measurement and has to be  removed  from  the  surface  after  the  test.  In  view  of  potential  solution  of material  (steel) elements  in  the  liquid  metal,  the  mass  of  adherent  corrosion  products  (oxides)  may  not  be representative of the overall material consumption so that the latter has to be determined as the mass loss of the specimen after exposure and removal of both adherent solidified liquid metal and corrosion scales. As examinations on the cross section of the tested materials as taken from the experimental device are considered mandatory for proper characterisation of occurring corrosion phenomena  in  terms  of  type,  composition  and  structure  of  formed  corrosion  products,  the cleaning required for useful mass‐change measurements necessitates providing an extra specimen per exposure time for gravimetric quantification. The metallographic method can be performed on the  identical  specimen  (cross  section)  and,  in  principle,  at  the  same  time  as  the  other phenomenological  examinations.  Furthermore,  it  especially  allows  for  assessing  quantitative characteristics  separately  for  the  three  corrosion modes  observed  on  steels  after  exposure  to oxygen‐containing Pb or  LBE, and  is,  in general, better  suited  for quantifying  internal  corrosion processes and near‐surface depletion zones in the material (possibly only after etching of the cross section  or with  help  of  qualitative  EDX  analysis,  e.g.,  line  scans,  in  the  electron microscope). Depending on how precisely the  initial position of the specimen surface  is defined as well as the accuracy with which  the  evaluated  cross  section was  prepared,  the  resolution  of  quantitative corrosion  effects  might,  however,  be  poorer  when  using  metallographic  methods  than  by gravimetry. But  this  inherent disadvantage of  the metallographic method becomes  increasingly less important with increasing exposure time.  

Metallographic method 6.3

In  this section,  the quantification of corrosion  in  liquid Pb or LBE on  the basis of metallographic measurements  is discussed  and  exemplified  for  cylindrical  specimens.  The particular method  is currently  being  evaluated  as  a  part  of  the  round  robin  on  corrosion  testing  in  static  oxygen‐containing LBE performed in Task 3.2 of the MATTER project. 

Page 37: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

31

6.3.1 Pre‐test measurements 

Before performing the corrosion test, each specimen has to be characterised with respect to the initial value of the geometric dimension that will later be used for quantifying the material loss. In other  guidelines  for  corrosion  testing  at  elevated  temperature,  a  repeatability  of  this measurement in the order of ±0.2 µm and an overall accuracy of ±5 µm are considered achievable with  modern  instruments  (e.g.,  digital  micrometer)  and  the  minimum  required  for  obtaining significant  values  for  the  decrease  of  the  characteristic  dimension  during  the  corrosion  test, respectively  [7].  Both  may,  however,  be  case  sensitive,  e.g.,  dependent  on  the  size  of  the particular specimens tested or how severe corrosion actually was. The recommendation for overall accuracy not only includes the precision of the measurement itself, but also the uniformity along the specimen.  For measuring the initial diameter of cylindrical specimens, the equipment shown in Figure 15 was developed [31,55]. It consists of a displacement transducer that is fixed in a massive stand above 

the opening of a prism with known opening angle . The displacement Z indicated when the tip of the measuring  instrument touches the cylindrical specimen  in  its highest point  is compared with the  displacement  Zref  that  corresponds  to  the  known  diameter Dref.  of  a  cylindrical  calibration piece. The diameter D of the specimen then follows as  

D Dref

2 sin2

1 sin2

Z Zref  

(24)

 The reading accuracy of  the particular displacement  transducer and production  tolerance of  the calibre used were both ± 1 µm, so that the repeatability of the diameter measurement was in the    

 Figure  15:  Schematic  illustration  of  equipment  for measuring  the  initial  diameter  of  cylindrical specimens [31]. 

 

Page 38: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

32

 

 Figure 16: Schematic illustration of diameter measurements in the laser micrometer, with M denoting the mark for defining the angular position of the measurement. 

  range of 3–4 µm [55]. Comparing the results from the prism method with the diameter measured in the microscope, after preparation of a metallographic cross section shows a difference of 1 µm in the obtained mean value or 2–4 µm for single measurements. Accordingly, the combination of applying the prism method before the corrosion test and measurements on the cross section after the  test,  involving  additional  sources  of  error  from  specimen  preparation,  can  fulfil  the recommendations on minimum accuracy.  The use of a  laser micrometer with reading precision of ± 0.1 µm promises an additional gain  in overall  accuracy.  The  repeatability  as  achieved  in  a  particular  instrument  is  < 1 µm.  Automatic manipulation of  the  specimen  and data  logging  allow performing  a higher number of diameter measurements in reasonable time than the prism method described above. Accordingly, the non‐uniformity of the diameter of cylindrical specimens may be readily assessed, and considered in the determination of  the material  loss  caused by  corrosion.  For  the  round  robin  test  conducted  in Task 3.2 of the MATTER project, data on the initial diameter of cylindrical specimens was collected for 8 equidistant planes along the cylinder axis. 12 measurements were performed in each plane, rotating the specimen by an angle of 30° after each determination of the diameter. The angular 

Page 39: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

33

position is defined with reference to a marked flat surface on the specimens as illustrated in Figure 16. Accordingly, the pre‐exposure characterisation provides 6  independent measurements of the initial diameter  in each plane, at angular positions 0°, 30°, 60°, 90°, 120° and 150° as well as one repetition of each of those measurements performed at the equivalent positions 180°, 210°, 240°, 270°, 310° and 330°, respectively.  

6.3.2 Post‐test measurements 

In preparation of the post‐test measurements, the specimen  is cut vertically, close to a plane for which the  initial values of the evaluated geometric dimension (diameter  in the case of cylindrical specimens)  have  actually  been  determined.  “Close” means  that  especially  the  thickness  of  the blade used  for cutting  is taken  into account, and,  if possible, another 0.2–0.3 mm allowance  for abrasion  during  the  metallographic  preparation  procedure,  so  that  the  visible  cross  section coincides with the selected plane as exactly as possible. Retrieving the angular positions along the circumference  of  a  circular  section  requires  an  appropriate  marker.  Embedding  a  cylindrical reference piece of known diameter along with the specimen may be considered for detecting and quantifying possible tilting of the prepared cross section during grinding and polishing [7].  A  full  quantification  of  corrosion  provides  data  for  the  remaining  thickness/diameter  of  sound material  and  corresponding  thickness  of  the  corrosion  scale.  If  the  latter  consists  of  several distinguishable  layers, measuring  the  thickness of each of  these  separately  is  recommended,  so that the position of interfaces relative to the initial specimen surface can be calculated. The latter may give  valuable  information on  the growth direction and movement of  interfaces during  the course of  the corrosion process. A particular procedure of performing such measurements on a circular cross section in the (light‐optical) microscope is outlined in Figure 17. In order to achieve an accuracy of the measurements in the order of 1 µm, it is necessary to work at 500‐fold optical magnification or higher. As  the  re‐measured diameters are  in  the order of mm,  the microscope must be equipped with a movable stage, with a precision of movement  in the two  independent directions of 1 µm or better. Cross hairs  in the ocular or superimposed on the screen of a digital microscope  may  be  used  as  a  stationary  reference  during  the  movement  of  the  stage.  For minimising potential sources of error, the hairs have to be aligned with the moving directions of the microscope stage (x and y in Figure 17a).  Each  set of measurements  starts with defining  the  line  along which measurements have  to be taken, so that the distance determined between two points on the actual circumference of sound material is significant for the decrease in diameter, and the distance between two interfaces is the true thickness of a corrosion layer. The orientation of this imaginary line corresponds to one of the cross hairs if the other hair forms a tangent that touches the circumference of the original circular cross section in the point of intersection of the hairs. It is clear — and a principal problem in any metallographic quantification of corrosion — that the original circumference or  initial position of the specimen surface  is,  in general, no  longer visible. Therefore,  the  required positioning of  the cross hairs relative to the corroded cross section is only approximately possible, which contributes to  the  sources of error  in  the measurements, especially  for  the determined diameter of  sound   

Page 40: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

34

 

 (a) 

 

 (b) 

Figure 17: Illustration of the quantification of corrosion processes on a circular cross section, using a microscope with movable stage. 

  material.  If only a  thin corrosion scale  formed or  for not  too  thick  inner  layers of  the scale,  the curvature of  the  scale  surface and  interface between  layers,  respectively, will be  similar  to  the original  surface  and  is  an  appropriate  substitute.  For  stronger  attack  and  pronouncedly  non‐uniform scales, it seems helpful to make use of a larger portion of the specimen around the area of  interest,  at  reduced magnification,  from  which  the  original  curvature  of  the  cross  section becomes more obvious.  In any case, pre‐aligning at  lower magnification and  final adjustment at 

Page 41: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

35

the magnification at which the measurements will be performed appears generally useful. It may not  be  necessary  to mention  that,  for  a  given  diameter  being  evaluated,  both  ends  should  be considered  for  proper  alignment  of  the  cross  hairs,  especially  the  one  showing  less  severe corrosion. If the original cross section actually was elliptical rather than a circle or the cross hairs were not perfectly aligned to the moving directions of the microscope stage, it will be necessary to move  the  stage  a  comparatively  small  distance  sy  in  addition  to  sx  in  the  main  direction  of movement, in order to meet the wanted tangential positions. The measuring result, s, then is  

 s sx2 sy

2 (25)

 The absolute value of sy above which such a misfit between the main direction of movement of the microscope stage and orientation of the evaluated diameter becomes noticeable and needs to be corrected in the measurement of the diameter of sound material is in the order of 100 µm for sx   8.000 mm or 75 µm  for  sx   3.000 mm. The measurements of  scale  thickness are generally not significantly affected.  Figure 17b  illustrates the measurements  in detail for a corrosion scale consisting of three  layers. After  the preparatory  adjustments,  the microscope  stage  is moved horizontally  in  the depicted example, until  the  intersection of  the cross hairs  (gauge mark) coincides with  the outer  surface (surface of the third  layer) of the corrosion scale on the right‐hand side. Starting from this point, the stage  is moved  from  left to right until the gauge mark coincides with the  interface between the third and second layer. The displacement of the stage then corresponds to the thickness of the 

third layer, x3;r. The thickness of following layers on the right‐hand side (x2;r, x1;r), diameter of unaffected sound material  (steel), DST, and thickness of  layers of the corrosion scale on the  left‐

hand side (x1;l, x2;l and x3;l) are measured by successively bringing the interfaces in compliance with the gauge mark and taking readings of the corresponding displacements of the microscope 

stage. The recession of sound material, xST, follows as  

∆xST1

2D0 DST  

(26)

 with  D0  denoting  the  initial  diameter  determined  before  the  test.  The  actual  position  of  the surface of sound material, XST, with reference to the initial surface at X0 is given by  XST X0 ∆xST  (27) The position with reference to the to the initial specimen surface of the interface between the jth and (j+1)th layer, Xj, follows as  

Xj1

2 ∆xi;r

j

i=1

DST ∆xi;l

j

i=1

D0  

(28)

 

Page 42: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

36

In  this  example,  the  jth  layer  is  per  definition  closer  to  the material/scale  interface  than  the (j+1)th. For the outermost layer, Xj is the position of the scale surface.  It should be noted that the data calculated from the three equations above are average values for the opposing ends of  the evaluated diameter. This does not  influence  the average, but extreme values  as  well  as  standard  deviations  calculated  from  several  sets  of  such  measurements.  A separation of material recession and position of interfaces for opposing sites of the material cross section will be possible by marking  the  centre point of  the original  cross  section or  computer‐based evaluation of a high‐resolution  image of the complete cross section. The two sets of  layer thickness  determined  for  each  diameter  are  independent  from  each  other.  The  statistical evaluation requires a relevant number of measurements, at sites that were selected without bias and uniformly distributed over the cross section. In the case of the introduced method, the latter is achieved by starting the measurements in an arbitrarily chosen angular position, and turning the circular  cross  section  by  a  fixed  angle  in‐between  the measurements. Guidelines  for  corrosion testing  at  elevated  temperature  suggest  to  include  a minimum  of  24 measurements  of  scale thickness  and  recession  of  sound material  in  the  statistical  analysis  [7],  corresponding  to  the evaluation of 12 diameters.  The  discussion  of  the measurements  in  the microscope  so  far  implies  that  the  same  type  of corrosion  is observed on the opposing ends of the evaluated diameter. For specimens that were exposed to oxygen‐containing Pb or LBE, that  is not necessarily the case (see Section 6.1). When locally different modes of corrosion occur on the same specimen, the quantification must aim at the average or maximum for each corrosion process separately. A straightforward situation arises if one of two corrosion processes that are involved in the decrease of a particular diameter clearly dominates the other with respect to the material loss. Then, (D0 – DST) represents the recession of sound material caused by the significantly stronger of the two. For corrosion in oxygen‐containing Pb or LBE, the  latter  is so especially  if protective scaling with material  loss <1 µm  is observed on one side, and, on the opposing side, solution‐based corrosion that may consume  in the order of 100 µm of material after relatively short time. However, if dominance is not clear, some diameter measurements  will  have  to  be  disregarded  in  the  evaluation,  which  can  be  compensated  by increasing  the  number  of  performed  measurements.  Disregarding  particular  diameter measurements may also be  indicated  if the classification of the observed corrosion phenomenon is ambiguous. Especially for highly  irregular  local corrosion, the maximum attack observed  in the investigated  cross  section  is  of  higher  relevance  than  the  average.  If  not  included  by measurements uniformly distributed along the circumference, the maximum damage found in the cross section has to be quantified in addition to the systematic assessment. It is a clear advantage of the systematic assessment of corrosion effects that a simple count of investigated sites showing the  same  type  of  corrosion  gives  an  objective  estimate  of  the  frequency  of  occurrence  or percentage  of  surface  area  affected  by  this  process,  after  division  by  the  total  number  of investigated sites.  

Page 43: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

37

6.3.3 Evaluation of measurements 

The following list summarises the characteristics of material performance in oxygen‐containing Pb or LBE that may, in principle, be retrieved from measurements in the microscope, exemplified for cylindrical specimens:  

(I) Thinning or   From  diameter  of  sound  material  determined recession of sound material  after  exposure  (Eq.  (26)),  separately  for  the    different corrosion phenomena observed. If D0 is    known  for  the  angular  positions  evaluated,  the    local  D0 may  be  used. Otherwise,  use  the  best    estimate of the average D0 that is available. 

(II) Thickness of corrosion scales  Are  measured  directly  on  the  material  cross  as well as distinguishable layers   section, with accuracy being limited solely by the  of the corrosion scale  applied  magnification  and  spatial  resolution  of    the  distance  measurement.  Comparatively    precise  data.  Has  to  be  assessed  for  each     corrosion phenomenon separately. 

(III) Instantaneous position of  From  the  recession of  sound material  (Eq.  (27))  interfaces with reference to the  and  thickness  of  the  different  layers  of  the  initial material surface  corrosion scale ((Eq. (28)). 

(IV) Mass of material elements consumed,  From  the change  in diameter of  sound material but missing in the adherent scale  and  thickness  of  distinguishable  layers  of  the    corrosion  scale,  along with  the  average  density    and  chemical  composition  of  the material  and    layers of the corrosion scale [56]. 

(V) Percentage of surface area affected  From  the  number  of  sites  affected,  divided  by  by different corrosion processes  the total number of sites investigated. 

 

6.3.4 Alternative determination of material recession 

The recession of sound material obtained by or analogously to the described method basically is a small difference of  two comparatively  large numbers, with  respectively  large  relative error. This may become especially apparent  in the result  for specimens that were exposed to the corrosive environment at relatively low temperature and for relatively short time. If the overall uncertainty in the initial diameter of a cylindrical specimen and errors originating from the preparation of the evaluated circular cross section added up to, e.g., ±5 µm, a true decrease of the diameter of sound material in the same order of magnitude would correspond to a measured value around Zero or, alternatively, approximately twice as much as actually expected. Adding another ±2 µm allowing for the limited spatial resolution of distance measurements and uncertainties in the identification of the tangents  in the microscope, even a small  increase of the diameter may be  identified, or a decrease that  is by factor 2.4 higher than the expectation. In such cases, the thickness of  inward growing  layers  of  the  corrosion  scale  that may  be  assessed  directly  from  the micrograph with ±1 µm  accuracy  or  better,  probably  gives  a more  reliable  estimate  of  the  recession  of  sound 

Page 44: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

38

material than calculations on the basis of the difference in diameter. The latter was the conclusion from  applying  the  metallographic  method  described  above  to  oxidation  of  Fe  for  up  to approximately 8000 h  in oxygen‐containing LBE at 450°C  [31]. However, the  identification of the thickness of  inward growing  layers and  recession of  sound material  is valid only  if  the  interface between  inward and outward growing parts of  the scale  is practically  immobile.  In general,  this interface may move away from the initial position of the material surface with increasing exposure time, as was, e.g.,  indicated  for accelerated oxidation of Steel T91 under the same conditions at 450°C,  by  the  results  from  both  quantitative microscopy  and  elemental  analysis of  the  formed oxide scales  [56]. Accordingly,  the question of  the more appropriate way  to define  the material recession can be answered only after having performed and analysed the measurements of both diameter and scale thickness.  A  special  situation  arises  if  the  general  corrosion  process  is  accompanied  by  clearly  negligible material recession, as, e.g., observed for protective scaling in oxygen‐containing Pb or LBE (Figure 13a).  The  recession  of  sound  material  caused  by  locally  occurring  accelerated  oxidation  or solution‐based  corrosion may  then  be  quantified  with  sufficiently  high  accuracy  directly  with reference to the position of the practically unaffected material surface  in the surrounding of the preferentially attacked site. The accuracy gets partially  lost with  increasing  lateral dimensions of the attacked site, i.e., if the magnification in the microscope needs to be decreased so as to have the  reference  surface  in  the  evaluated  micrograph.  This  will  be  a  minor  problem  for  the comparatively high depth of attack involved in the solution‐based corrosion observed in Pb or LBE. However,  in  exceptional  cases,  the  curvature  of  a  circular  cross  section  may  have  to  be reconstructed  in  the  micrograph  using  the  diameter  determined  before  the  test.  For  locally starting accelerated oxidation, applicability of  the method  is  confined  to  initial  stages,  in which preferentially oxidised sites still appear in the form of isolated pits.  

7 Conclusions 

In general, laboratory experiments cannot simulate exactly, but at best approach the complex in‐service  situation  that materials will  face  in  an  industrial‐scale plant. However,  the  analysis  and quantification of material performance at well‐defined boundary  conditions with  respect  to  the parameters  that  are  relevant  to plant operation,  form  the basis,  sometimes  the only basis,  for deducing the likely performance and giving a quantitative estimate of what may be expected from the tested materials in the plant. Such conclusions from laboratory experiments are naturally the more reliable the better the experimental conditions have been characterised, controlled or, if the latter was not possible, at least monitored during the course of the test.  Especially when  testing  corrosion  in metallic materials  caused  by  liquid  Pb  or  LBE,  the  oxygen potential  or  concentration  of  solved  oxygen  plays  an  important  role  for  both  the  corrosion phenomena observed and the quantitative outcome. The prediction of the actual oxygen potential from the provided oxygen source  is aggravated by several factors, especially the conversion  into solid oxides at the interface of liquid metal and tested material or on reactive surfaces inside the testing device or  facility, so  that continuous measurement  is recommended. Oxygen sensors  for 

Page 45: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

39

use  in Pb or LBE are available, and a necessary pre‐requisite  for actively controlling  the oxygen potential. Characterising the experimental conditions with respect to solved oxygen by stating the type  of  sensor,  especially  the  reference  electrode  in  the  case  of  electrochemical  sensors,  the sensor  output  and  temperature  of  the measurement  is  always  non‐ambiguous.  The  calculated concentration of solved oxygen depends on the assumed saturation concentration of oxygen as a function  of  temperature.  Currently,  different  correlations  are  used  in  different  laboratories, questioning  the  inter‐comparability  of  results,  especially  if  only  the  calculated  concentration  is reported. Consistent calculation of oxygen concentrations in‐between laboratories is desirable, for which suggestions have been made.  The corrosion observed in the materials that have been exposed to oxygen‐containing liquid Pb or LBE  may  be  non‐uniform,  especially  in  the  case  of  steels.  This  needs  to  be  reflected  in  the procedure applied  in quantifying the corrosion damage. A metallographic method that allows for determining  the  local  recession  of  sound material  and  thickness  of  corrosion  scale  has  been introduced. The proposed procedure is currently being evaluated in the round robin performed in the framework of Task 3.2 of the MATTER project. The results will be reported as a supplement to this deliverable D3.4.  

References 

[1]  J.A. James, J. Trotman, Corrosion of steels  in  liquid bismuth and  lead, Journal of The Iron and Steel Institute 194 (1960) 319–323. [2]  J.R. Weeks,  C.J.  Clamut,  Reactions  between  steel  surfaces  and  zirconium  in  liquid  bismuth, Nuclear Science and Engineering 8 (1960) 133–147. [3] N. Otsuka, Y. Nishiyama, T. Kudo, Breakaway oxidation of TP310S stainless‐steel  foil  initiated by Cr depletion of the entire specimen in a simulated flue‐gas atmosphere, Oxidation of Metals 62 (2004) 121–139. [4]  E. Wessel, V. Kochubey, D. Naumenko, L. Niewolak, L. Singheiser, W.J. Quadakkers, Effect of Zr addition  on  the microstructure  of  the  alumina  scales  on  FeCrAlY‐alloys,  Scripta Materialia  51 (2004) 987–992. [5] D.P. Whittle,  The  oxidation  of  finite  samples  of  heat‐resistant  alloys,  Corrosion  Science  12 (1972) 869–872. [6] W.J. Quadakkers, P. Huczkowski, D. Naumenko, J. Zurek, G.H. Meier, L. Niewolak, L. Singheiser, Why the growth rates of alumina and chromia scales on thin specimens differ from those on thick specimens, Materials Science Forum 595–598 (2008) 1111–1118. [7]  J.R. Nicholls, Discontinuous measurements of high temperature corrosion, in: H.J. Grabke, D.B. Meadowcroft (Eds.), A Working Party Report on Guidelines for Methods of Testing and Research in High Temperature Corrosion, Published for The European Federation of Corrosion by the Institute of Materials, London, 1995, pp. 11–36. [8] Deutsche  Norm  DIN  EN  10  002‐5:  1991,  Metallische  Werkstoffe;  Zugversuch;  Teil  5: Prüfverfahren bei erhöhter Temperatur, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 1992. [9]  J.R. Weeks, A.J. Romano,  Liquidus  curves  and  corrosion  of  Fe,  Ti,  Zr  and Cu  in  liquid Bi–Pb alloys, CORROSION–NACE 25 (1969) 131–136. 

Page 46: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

40

[10] C. Schroer, J. Konys, Physical Chemistry of Corrosion and Oxygen Control  in Liquid Lead and Lead–Bismuth  Eutectic,  Wissenschaftliche  Berichte  FZKA  7364,  Forschungszentrum  Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 2007. Available online at http://bibliothek.fzk.de/zb/berichte/FZKA7364.pdf. [11]  T.  Alden,  D.A.  Stevenson,  J.  Wulff,  Solubility  of  nickel  and  chromium  in  molten  lead, Transactions of the Metallurgical Society of AIME 218 (1958) 15–17. [12] G. Rosenblatt, J.R. Wilson, The solubilities of several transition metals in liquid lead–bismuth eutectic,  in: J.E. Draley, J.R. Weeks (Eds.), Corrosion by  liquid metals: Proceedings of the sessions on  corrosion  by  liquid metals  of  the  1969  Fall meeting  of  the Metallurgical  Society  of  AIME, October 13‐16, 1969, Philadelphia, Pennsylvania, Plenum Press, New York, London, 1970, pp. 469–477. [13]  L. Martinelli, F. Vanneroy, J.C. Diaz Rosado, D. L’Hermite, M. Tabarant, Nickel solubility limit in liquid lead–bismuth eutectic, Journal of Nuclear Materials 400 (2010) 232–239. [14] R.A.  Rapp, Hot  corrosion  of materials:  a  fluxing mechanism?,  Corrosion  Science  44  (2002) 209–221. [15] C. Schroer, O. Wedemeyer, J. Konys, Aspects of minimizing steel corrosion in liquid lead‐alloys by addition of oxygen, Nuclear Engineering and Design 241 (2011) 4913–4923. [16] H.O.  Nam,  J.  Lim,  D.Y.  Han,  I.S.  Hwang,  Dissolved  oxygen  control  and  monitoring implementation in the liquid lead–bismuth eutectic loop: HELIOS, Journal of Nuclear Materials 376 (2008) 381–385. [17] C. Schroer, J. Konys, A. Verdaguer, J. Abellà, A. Gessi, A. Kobzova, S. Babayan, J.‐L. Courouau, Design and  testing of electrochemical oxygen sensors  for service  in  liquid  lead alloys,  Journal of Nuclear Materials 415 (2011) 338–347. [18] A. Mariën, J. Lim, K. Rosseel, W. Vandermeulen, Van den Bosch, J., Solid electrolytes for use in lead–bismuth eutectic cooled nuclear reactors, Journal of Nuclear Materials 427 (2012) 39–45. [19]  J.  Lim, G. Manfredi,  A. Mariën,  Van  den  Bosch,  J.,  Performance  of  potentiometric  oxygen sensors  with  LSM‐GDC  composite  electrode  in  liquid  LBE  at  low  temperatures,  Sensors  and Actuators B: Chemical 188 (2013) 1048–1054. [20] D. Risold, J.‐I. Nagata, R.O. Suzuki, Thermodynamic description of the Pb–O system, Journal of Phase Equilibria 19 (1998) 213–223. [21] R. Ganesan, T. Gnanasekaran, R.S.  Srinivasa, Diffusivity,  activity  and  solubility of oxygen  in liquid  lead  and  lead–bismuth  eutectic  alloy  by  electrochemical  methods,  Journal  of  Nuclear Materials 349 (2006) 133–149. [22] A. Kishimoto, A. Wada, T. Michimoto, T. Furukawa, K. Aoto, T. Oishi, Solubility and activity of oxygen in Pb–Bi melts, Materials Transactions 47 (2006) 122–128. [23] R. Ganesan,  T. Gnanasekaran, R.S.  Srinivasa,  Standard molar Gibbs energy of  formation of Pb5Bi8O17 and PbBi12O19 and phase diagram of the Pb–Bi–O system, Journal of Nuclear Materials 375 (2008) 229–242. [24] R. Ganesan, T. Gnanasekaran, R.S. Srinivasa, Standard molar Gibbs free energy of formation of PbO(s) over a wide temperature range from EMF measurements, Journal of Nuclear Materials 320 (2003) 258–264. [25] N.A. Gokcen, The Bi–Pb (bismuth–lead) system, Journal of Phase Equilibria 13 (1992) 21–32. [26]  J.  Lim,  Thermodynamic  Assessment  of  the Oxygen  Control  Boundary  for  the Operation  of MYRRHA, Internal Report SCK•CEN‐I‐271, SCK•CEN, Mol, Belgium, 2011. [27] B.A. Shmatko, A.E. Rusanov, Oxide protection in melts of lead and bismuth, Material Science 36 (2000) 689–700. 

Page 47: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

41

[28] G. Müller, A. Heinzel, G. Schumacher, A. Weisenburger, Control of oxygen concentration  in liquid lead and lead–bismuth, Journal of Nuclear Materials 321 (2003) 256–262. [29] A.  Heinzel,  Korrosionsverhalten  von  Stählen  in  sauerstoffbeladenem,  flüssigem  Pb55,5%Bi unter  Berücksichtigung  von  Oberflächenmodifikationen, Wissenschaftliche  Berichte  FZKA  6823, Forschungszentrum  Karlsruhe  GmbH,  Karlsruhe,  2003.  Available  online  at http://bibliothek.fzk.de/zb/berichte/FZKA6823.pdf. [30] A.D. Efanov, Y.I. Orlov, P.N. Martynov, V.A. Gylevsky, Study of lead coolant technology, State Scientific  Center  of  Russian  Federation  ‐  Institute  of  Physics  and  Power  Engineering,  Obninsk, Russia.  Available  online  at  http://www.hep.princeton.edu/mumu/target/pb‐bi/pb_coolant_efanov_01.pdf. [31] C. Schroer, A. Skrypnik, O. Wedemeyer, J. Konys, Oxidation and dissolution of iron in flowing lead–bismuth eutectic at 450°C, Corrosion Science 61 (2012) 63–71. [32] Orlov  et  al.  (1997).  Cited  by:  G.  Benamati,  P.  Buttol,  C.  Fazio,  V.  Imbeni,  C. Martini,  G. Palombarini, A. Rusanov, Behaviour of different steels  in  liquid Pb and Pb–Bi eutectic alloy,  in: J. Konys  (Ed.),  Corrosion  and Oxygen  Control: Minutes  of  the Workshop  on Heavy  Liquid Metals Technology, September 16–17, 1999. Wissenschaftliche Berichte, FZKA 6389, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 1999. [33] C. Schroer, J. Konys, T. Furukawa, K. Aoto, Oxidation behaviour of P122 and a 9Cr–2W ODS steel at 550°C  in oxygen‐containing  flowing  lead–bismuth eutectic,  Journal of Nuclear Materials 398 (2010) 109–115. [34] R.  Ganesan,  T.  Gnanasekaran,  R.S.  Srinivasa,  Determination  of  standard molar  Gibbs  free energy  of  formation  of  Bi2O3  over  a wide  temperature  range  by  EMF method,  The  Journal  of Chemical Thermodynamics 35 (2003) 1703–1716. [35] G. Müller, G.  Schumacher,  F.  Zimmermann,  Investigation  on  oxygen  controlled  liquid  lead corrosion of surface treated steels, Journal of Nuclear Materials 278 (2000) 85–95. [36] C.  Schroer,  O.  Wedemeyer,  J.  Konys,  Gas/liquid  oxygen‐transfer  to  flowing  lead  alloys, Nuclear Engineering and Design 241 (2011) 1310–1318. [37] M. Yurechko, C. Schroer, O. Wedemeyer, A. Skrypnik, J. Konys, Creep‐to‐rupture of 9%Cr steel T91 in air and oxygen‐controlled lead at 650°C, Journal of Nuclear Materials 419 (2011) 320–328. [38]  P.N. Martynov, R.S. Askhadullin, A.A. Simakov, A.Y. Chaban’, M.E. Chernov, V.S. Lanskikh, A.Y. Legkikh,  Creation  of  automatic  system  for monitoring,  forecasting  and  control  of  condition  of lead–bismuth  (lead) coolant and surfaces of curcuits of nuclear power plants,  in: Proceedings of the 17th  International Conference on Nuclear Engineering (ICONE‐17), July 12–16, 2009, Brussels, Belgium, ASME, 2009, ICONE17‐75504. [39]  P.N. Martynov,  R.S.  Askhadullin,  A.A.  Simakov,  A.Y.  Chaban’,  A.Y.  Legkikh, Designing mass exchangers  for control of oxygen content  in Pb–Bi  (Pb) coolants  in various research  facilities,  in: Proceedings of the 17th  International Conference on Nuclear Engineering (ICONE‐17), July 12–16, 2009, Brussels, Belgium, ASME, 2009, ICONE17‐75506. [40] D. Sapundjiev, S. van Dyck, W. Bogaerts, Liquid metal corrosion of T91 and A316L materials in Pb–Bi eutectic at temperatures 400–600°C, Corrosion Science 48 (2006) 577–594. [41] C. Schroer, Z. Voß, O. Wedemeyer, J. Novotny, J. Konys, Oxidation of steel T91 in flowing lead‐bismuth eutectic (LBE) at 550°C, Journal of Nuclear Materials 356 (2006) 189–197. [42] M. Kondo, M. Takahashi, T. Suzuki, K.  Ishikawa, K. Hata, S. Qiu, H. Sekimoto, Metallurgical study on erosion and corrosion behaviors of steels exposed to liquid lead‐bismuth flow, Journal of Nuclear Materials 343 (2005) 349–359. 

Page 48: MATTER Deliverable D3.4 v1 final · Document type Deliverable Work Package WP 3.2 Document number D3.4 – Revision 0 Date of completion 17/07/2014 Level of Confidentiality PU PP

MATTER – Deliverable D3.4 EURATOM FP7 Grant Agreement no.269706

42

[43]  J.R. Weeks, Lead, bismuth, tin and their alloys as nuclear coolants, Nuclear Engineering and Design 15 (1971) 363–372. [44]  J.V. Cathcart, W.D. Manly, A technique for corrosion testing in liquid lead, CORROSION–NACE 10 (1954) 432–434. [45] R.C. Asher, D. Davies,  S.A.  Beetham,  Some  observations  on  the  compatibility  of  structural materials with molten lead, Corrosion Science 17 (1977) 545–557. [46]  E.P. Loewen, C.B. Davis, P.E. MacDonald, A technique for dynamic corrosion testing  in  liquid lead alloys, in: Proceedings of the 8th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE‐8), April 2–6, 2000, Baltimore, Maryland, American Society of Mechanical Engineers, New York, N.Y, 2000, ICONE8‐8245. [47]  E.P.  Loewen,  G.  Bisanz,  Structural  characterization  of  lead–bismuth  eutectic  corrosion  of stainless steel by ultrasonic and metallographic analysis, Materials Characterization 49 (2002) 463–470. [48] C. Schroer, O. Wedemeyer, J. Novotny, A. Skrypnik, J. Konys, Long‐term service of austenitic steel  1.4571  as  a  container  material  for  flowing  lead–bismuth  eutectic,  Journal  of  Nuclear Materials 418 (2011) 8–15. [49] C. Schroer, O. Wedemeyer, J. Novotny, A. Skrypnik, J. Konys, Selective leaching of nickel and chromium  from  Type  316  austenitic  steel  in  oxygen‐containing  lead–bismuth  eutectic  (LBE), Corrosion Science 84 (2014) 113–124. [50] A. Rahmel, V. Kolarik, Metallography, electron microprobe and X‐ray  structure analysis,  in: H.J.  Grabke,  D.B. Meadowcroft  (Eds.),  A Working  Party  Report  on  Guidelines  for Methods  of Testing and Research  in High Temperature Corrosion, Published  for The European Federation of Corrosion by the Institute of Materials, London, 1995, pp. 147–157. [51] M.J. Bennett, Surface microsurgery preparation procedures  for high  temperature corrosion characterisation,  in: H.J. Grabke, D.B. Meadowcroft (Eds.), A Working Party Report on Guidelines for Methods of Testing and Research in High Temperature Corrosion, Published for The European Federation of Corrosion by the Institute of Materials, London, 1995, pp. 158–176. [52] M. Rühle, E. Schumann, The application of transmission electron microscopy in the analysis of high temperature corrosion, in: H.J. Grabke, D.B. Meadowcroft (Eds.), A Working Party Report on Guidelines for Methods of Testing and Research in High Temperature Corrosion, Published for The European Federation of Corrosion by the Institute of Materials, London, 1995, pp. 177–188. [53] W.J.  Quadakkers,  H.  Viefhaus,  The  application  of  surface  analysis  techniques  in  high temperature corrosion research, in: H.J. Grabke, D.B. Meadowcroft (Eds.), A Working Party Report on Guidelines for Methods of Testing and Research in High Temperature Corrosion, Published for The European Federation of Corrosion by the Institute of Materials, London, 1995, pp. 189–216. [54] C.  Schroer,  Analysis  of  locally  starting  corrosion  phenomena  using  mass  change measurements, Corrosion Science 48 (2006) 546–563. [55] C. Schroer, Z. Voß, J. Novotny, J. Konys, Quantification of the Degradation of Steels Exposed to  Liquid  Lead–Bismuth  Eutectic,  Wissenschaftliche  Berichte  FZKA  7224,  Forschungszentrum Karlsruhe  GmbH,  Karlsruhe,  2006.  Available  online  at http://bibliothek.fzk.de/zb/berichte/FZKA7224.pdf. [56] C. Schroer, O. Wedemeyer, A. Skrypnik, J. Novotny, J. Konys, Corrosion kinetics of Steel T91 in flowing  oxygen‐containing  lead–bismuth  eutectic  at  450°C,  Journal  of  Nuclear  Materials  431 (2012) 105–112.