Oxidation-nitridation of chromium at high temperatures and its mitigation by alloying

  • Oxidation und Nitrierung von Chrom und deren Verringerung durch Legieren

Soleimani-Dorcheh, Ali; Schütze, Michael (Thesis advisor); Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen : Shaker Verlag (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriftenreihe des DECHEMA-Forschungsinstituts 12
Seite(n)/Artikel-Nr.: IV, II, VII, 122 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird die Nitrierung und Oxidation im Cr-Si Binärsystem untersucht. Die Kinetik und Thermodynamik beider Reaktionen sind mittels eines systematischen Ansatzes beschrieben. Die Nitrierung und Oxidation einzelner Phasen wie beispielsweise dem Cr-Mischkristall und der A15-Silizidphase wurden mittels Kurz- und Langzeitauslagerungen, thermodynamischen Stabilitätsberechnungen und Charakterisierung von Oxidschicht und Substrat untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Chrom in beiden Phasen das dominierende Element im Oxidationsprozess ist. Dies macht diese Legierungsklasse vorwiegend zu Chromoxidbildnern. Die lokale Bildung von SiO2 wurde trotzdem beobachtet, welches einen signifikanten Einfluss auf die Oxidationsresistenz des Werkstoffs zeigt. Eine Zugabe von lediglich 3 atom% Si zu Chrom erzielte eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit um mehr als eine Größenordnung. Der positive Einfluss von SiO2 wurde durch weitere Si-Zugabe erhöht. Die A15-Silizidphase (Cr3Si) bildet sogar eine durchgängige SiO2-Schicht während Langzeitauslagerungen. Die Kombination beider Phasen im Rahmen eines eutektischen Gefüges führt zu einer gleichzeitigen Oxidation mit vorwiegender Chromverarmung. Dies ruft eine Auflösung der Chrom-reicheren Phase bzw. des Chrommischkristalls und eine damit einhergehende Bildung einer A15-Silizidschicht in der Randzone hervor.Der Einfluss von Stickstoff als ein wichtiger Oxidant in Luft wurde sowohl für reines Chrom als auch für die binären Cr-Si-Legierungen untersucht. Das innere Wachstum einer Chromnitridschicht in der Substratrandzone beweist eine explizite Einwärtsdiffusion von Stickstoff. Es wurde beobachtet, dass Si eine besondere Rolle spielt um die Nitrierung zu verhindern. Die A15-Silizidphase zeigte hervorragende Stabilität unter jeglichen Stickstoffpartialdrücken bei hohen Temperaturen und eine nur sehr geringe Löslichkeit für Stickstoff. Als eine kontinuierliche Barriere in der Randschichtzone der zweiphasigen Cr-Cr3Si-Legierung bietet die A15-Phase selbstschützenden Charakter gegen innere Nitrierung.Diese Legierungsklasse wurde nach intensiver Untersuchung des ternären Cr-Ge-Si Systems im hochchromhaltigen (Cr > 80 atom.%) Bereich weiterentwickelt. Si und Ge zeigten eine austauschbare Löslichkeit sowohl im Chrommischkristall als auch in der A15-Phase. Die Zugabe von Ge stabilisiert die A15-Phase durch eine gezielte Förderung der peritektischen Reaktion im Cr-Cr3Ge-System. Die Mikrostruktur der eutektischen Legierung bleibt bis zu einer Zugabe von 2 atom. % Ge fein-lamellar. Mittels dieses Ansatzes konnte der Wiederstand gegen Nitrierung als eine der größten Herausforderungen in der Entwicklung von Chromlegierungen deutlich verbessert werden. Die Mikrostruktur der Legierung blieb vor innerer Nitrierung während Oxidationstests von 1000 Stunden bei 1200°C an Luft bewahrt. Das optimierte Oxidationsverhalten der binären und ternären Legierungen wird in Bezug auf Morphologie und Haftung der Chromoxidschicht diskutiert.

Einrichtungen

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

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