Design of Al diffusion coatings for Fe-based and Ni-based alloys

  • Design von Al Diffusionsschichten auf Eisen- und Nickel-Basislegierungen

Naji, Ammar; Schütze, Michael (Thesis advisor); Beck, Wolfgang (Thesis advisor)

1st ed.. - Aachen : Shaker Verlag (2018)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriftenreihe des DECHEMA-Forschungsinstituts 16
Seite(n)/Artikel-Nr.: XII, 117 Seiten : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Bauteile, die aus metallischen Werkstoffen bestehen und bei hohen Temperaturen arbeiten, können durch Hochtemperaturkorrosion beschädigt werden. Das am häufigsten vorkommende Phänomen ist die Oxidation. Wenn metallische Werkstoffe einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt werden, ist es erwünscht, dass Elemente - Oxidbildner genannt - vom Werkstoffinneren zur Werkstoffoberfläche diffundieren und eine dichte und langsam wachsende Oxidschicht bilden, die als Diffusionsbarriere dient. Somit wird weitere Oxidation verlangsamt. Da die meisten Legierungen nur eine begrenzte Menge an Oxidbildner enthalten können, werden sie beschichtet, so dass die Schicht als Reservoir für die Oxidbildner dient. Bei Diffusionsbeschichtungen wird die Substratoberfläche mit einen oder mehreren Oxidbildnern (z. B. Al) angereichert. Die Aluminisierung von Legierungen auf Fe- und Ni-Basis führt zu Al-Diffusionsschichten, die aus einer Phase oder mehreren gestapelten Phasen gemäß den Fe-Al- und Ni-Al-Phasendiagrammen bestehen können. Ziel dieser Arbeit war es, im Pulverpackverfahren entwickelte Al-Diffusionsschichten auf austenitische Stähle und Ni-Basislegierungen zu designen und ihre resultierende Mikrostruktur zu steuern. Das Pulverpackverfahren ist ein CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition), bei dem das zu beschichtende Substrat in eine Pulvermischung eingebettet wird. Die Pulvermischung besteht aus dem Diffusionselement (z. B. Al), einem Aktivator (z. B. NH4Cl) und einem Füllstoff (z. B. Al2O3). Das eingebettete Substrat wird mit dem Pulvergemisch in einem Rohrofen für mehrere Stunden in einer inerten Ar/5%H2 Atmosphäre geheizt. Das Schichtdesign basiert auf thermodynamischen und kinetischen Betrachtungen des Pulverpackverfahrens. Thermodynamische Berechnungen mit der Software FactSage® wurden durchgeführt, um die Al-Aktivität (Gesamtpartialdruck aller Al-Halogenide) innerhalb des Packpulvers als eine Funktion der Prozesstemperatur und der Pulverzusammensetzung zu bestimmen. Darüber hinaus wurden die binären Phasendiagramme der Fe-Al- und Ni-Al-Systeme samt den Al-Aktivitäten dieser Systeme als Funktion der Temperatur und des Al-Molenbruchs berechnet. Bei der kinetischen Betrachtung wurde z.B. der Diffusionskoeffizient eines Schichtelement/Substrat-Paares über eine begrenzte Anzahl von Experimenten und einer Matano-Analyse bestimmt. Es wurde gezeigt, dass das erarbeitete Schichtdesign eine quantitative Vorhersage der resultierenden Schichtstruktur (intermetallische Phasen und Schichtdicke) für eine große Bandbreite von Prozessparametern (Prozesszeit, Prozesstemperatur, Pulvergemisch, Werkstoff etc.) ermöglicht. Beschichtungsversuche an austenitischen Stählen (AISI 321, AISI 314 und Alloy 800) und einer Ni-Basis-Legierung (Alloy 601) haben gezeigt, dass niedrige Prozesstemperaturen im Pulverpack (bis zu 900°C) die Bildung von aluminiumreichen Diffusionsschichten fördern. Diese Beobachtung stimmt mit den thermodynamischen Berechnungen überein. Kinetische Berechnungen zeigten, dass eine hohe Prozesstemperatur die Interdiffusion von Al aus der Beschichtung in das Innere des Werkstoffs während des Beschichtungsprozesses fördert, was die Bildung von aluminiumärmeren Schichten begünstigt. Die berechneten thermodynamischen und kinetischen Werte ermöglichten es, die Schichtstruktur bei diesen vier Werkstoffen vorherzusagen. Die gleichzeitige Beschichtung eines anderen Elements neben dem Hauptbeschichtungselement Al verringert die Al-Aktivität innerhalb des Packs, da der Aktivator von beiden Beschichtungselementen verbraucht wird. Unsere Experimente haben gezeigt, dass es möglich ist Si und Hf gleichzeitig mit Al zu beschichten. Die Schichtdicke ist im Vergleich zu einer Monoelement-Al-Beschichtung reduziert. Dies wird nicht nur durch die Al-Aktivitätsverringerung aufgrund der gemeinsamen Abscheidung verursacht wird. Unsere kinetischen Berechnungen haben gezeigt, dass der Diffusionskoeffizient von Al reduziert wird, da das zweite Beschichtungselement Al-Gitterplätze besetzt. Dabei zeigten die vorhergesagten und experimentell gebildeten Schichtstrukturen gute Übereinstimmungen. Das erarbeitete Schichtdesign hat auch Grenzen. Zum Beispiel führt eine übermäßige Aktivatormenge im Pack, die theoretisch eine höhere Al-Aktivität zur Folge hätte, zu einer Beschädigung des Substrats durch Halogenwasserstoffe. Zyklische Auslagerungsversuche in einer oxidierenden und reduzierenden Atmosphäre bei 1000°C haben gezeigt, dass Al-Si-Beschichtungen die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit verbessern, da die Al-Aktivität innerhalb dieser Zweielementbeschichtung im Vergleich zu der Monoelement-Al-Beschichtung geringer ist. Somit ist die Al-Diffusion in das innere Substrat und die Sprödigkeit der Diffusionsschicht verringert. Auch Al-Hf Diffusionsschichten zeigten eine Verbesserung der Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit im Vergleich zu der Monoelement-Al-Beschichtung. Dabei war die Oxidschichtdicke geringer, was auf eine langsamer wachsende Oxidschicht hinweist. Das Design-Konzept wurde erfolgreich in einer Brennkammer eines Reformersystems angewendet und steht für die weitere Verwendung in der Beschichtungstechnologie zur Verfügung.

Einrichtungen

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

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