Inhibition of coking and metal dusting on conventional alloys by using a nickel-tin intermetallic coating

  • Unterdrückung der katalytischen Aufkohlung und des "Metal Dustings" bei konventionellen Legierungen durch eine intermetallische Nickel-Zinn-Beschichtung

Geers, Christine; Schütze, Michael (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Coking und Metal Dusting sind Hochtemperaturkorrosionsphänomene (400-900°C), die unter stark reduzierenden Bedingungen mit niedrigen Sauerstoffpartialdrücken und hohen Kohlenstoffaktivitäten auftreten. Coking ist die katalytische Abscheidung von Kohlenstoff auf Werkstoffoberflächen, und Metal Dusting bewirkt Materialverlust durch die Zerstörung der Integrität des Werkstoffes. Dies geschieht durch eine massive Aufkohlung des Werkstoffes und die Ausscheidung von Graphit in der Metallmatrix. Beide Phänomene werden seit mehr als 50 Jahren intensiv erforscht und umfangreich in der Literatur dargelegt. Als katalytisch aktive Spezies auf den Werkstoffoberflächen wurden Nickel, Eisen und Kobalt identifiziert. Diese Metalle können mit kohlenstoffhaltigen Gasspezies, wie Kohlenmonoxid oder Methan reagieren, die Bindungen im Gasmolekül schwächen und so die Dissoziation und Kohlenstoffabscheidung vorantreiben. Zur Vermeidung des Korrosionsangriffs von Kohlenstoff werden konventionell Werkstoffe eingesetzt, die einen hohen Anteil an schützenden Oxidbildnern wie Chrom, Aluminium oder Silizium haben. Die Oxide dieser Metalle sind auch noch in den meisten reduzierenden Atmosphären stabil. Sie wirken als Barriere zwischen der aggressiven Atmosphäre und den katalytisch aktiven Werkstoffkomponenten. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde gezielt die katalytische Aktivität der Werkstoffoberfläche mit geeigneten Inhibitoren unterbunden. Zinn erwies sich geeignet, da es zusammen mit Nickel hochtemperaturbeständige intermetallische Phasen bildet. Zinn entstammt der gleichen Hauptgruppe wie Kohlenstoff und weist damit eine ähnliche Valenzelektronensituation auf mit dem Unterschied, dass die Orbitale wesentlich ausgedehnter sind. Demnach ist anzunehmen, dass Zinn die gleichen Orbitale von Nickel besetzt, wie es auch für Kohlenstoff der Fall ist. Durch die Besetzung und Blockierung der aktiven Zentren von Nickel mit Zinn kann somit die die katalytische Reaktion zwischen Nickel und Kohlenstoff inhibiert werden. Die Beschichtung von Werkstoffproben mit Nickel-Zinn erfolgte durch unterschiedliche Methoden. Als erfolgreichste Methode erwies sich eine Kombination aus elektrolytisch abgeschiedenem Nickel und anschließender Zinndiffusion im Pulverpackverfahren. Die untersuchten Schichten hatten eine Dicke von 20-40 µm. Die Nickel-Zinn-Beschichtung wurde erprobt und untersucht auf den Werkstoffen P11, P91, Alloy 800, AISI 321, Alloy 600 sowie auf reinem Nickel. Die Auslagerung erfolgte bei 620°C in der Gasmischung H2 - 24% CO - 2% H2O. Nach maximal 3000 h wurden die Auslagerungsversuche abgebrochen. Die Beständigkeit gegen Coking und Metal Dusting konnte für alle Werkstoffe signifikant gesteigert werden. Im Fokus der Probenanalyse stand zum einen die Phasenstabilität der Nickel-Zinn-Schichten sowohl gegenüber Aufkohlung als auch hinsichtlich möglicher Phasenumwandlungen Ni3Sn2/Ni3Sn. Hierzu wurden die Interdiffusionszonen untersucht, da sie maßgeblich die Lebensdauer der Beschichtungen beeinflussen. Zum anderen wurde die Oxidationsstabilität der Beschichtungen untersucht, da diese für die Anwender in der Industrie von Interesse ist. Während An- und Abfahrprozessen kann die Beschichtung oxidierenden Bedingungen ausgesetzt sein. Es zeigte sich hierbei, dass Nickel-Zinn-Schichten für kurze Perioden eine gewisse Beständigkeit in synthetischer Luft bei 620°C aufweisen.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]

Identifikationsnummern