Effects of metallurgical chemistry and service conditions on the oxidation limited life time of FeCrAl-based components

Naumenko, Dmytro; Singheiser, Lorenz

doi:0366-0885

Effects of metallurgical chemistry and service conditions on the oxidation limited life time of FeCrAl-based components

Naumenko, Dmytro (Author)

2000 & 2001

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dmytro Naumenko

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2000

Umfang136 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBerichte des Forschungszentrums Jülich ; 3948

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Druckausgabe: 2000. - Onlineausgabe: 2001

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-07-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2392
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61447/files/Naumenko_Dmytro.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Technische Chemie (frei) ; Eisenlegierung (frei) ; Chromlegierung (frei) ; Aluminiumlegierung (frei) ; Korrosionsbeständigkeit (frei) ; Hochtemperaturkorrosion (frei) ; Oxidation (frei) ; Lebensdauer (frei) ; Legierungselement (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 660

Kurzfassung
FeCrAl-Legierungen zeigen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit im Temperaturbereich von 900-1300°C, was sie als Hochtemperaturkonstruktionswerkstoffe besonders attraktiv macht. Während Auslagerung bei hohen Temperaturen bilden die FeCrAl-Legierungen eine Al2O3-Deckschicht, die Schutz gegen einen weiteren Korrosionsangriff bietet. Die Hauptversagensursache für die FeCrAl-Bauteile ist die Verarmung des schichtbildenden Elementes (Al), die nach längeren Betriebszeiten auftritt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Reihe von den kommerziellen und Modellegierungen in Bezug auf das Lebensdaueroxidationsverhalten getestet. Diese Testergebnisse wurden mit der Vorhersage eines vorhandenen Lebensdauermodels vergliechen. Um die Oxidationsmechanismen als Funktion der Versuchstemperatur und Auslagerungsdauer erklären zu können, wurden die oxidierten Werkstoffe mittels verschiedener Analytikmethoden untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, daß die Spurenelemente, eine wichtige Rolle in Bezug auf die Wachstumsraten bzw. Haftung der Al2O3-Schicht spielen. Die beobachteten Unterschiede im Oxidationsverhalten der betrachteten kommerziellen Werkstoffe werden der Wechselwirkung von reaktiven Elementen (Y, Zr, Hf, Ti) mit Verunreinigungen von Kohlenstoff und Stickstoff in der Legierung zugeschrieben. Um eine optimale Oxidationsbeständigkeit enstprechend einer erhöhten Lebensdauer der FeCrAl-Legierungen zu erreichen ist Zusatz von mehreren reaktiven Elementen notwendig, wobei deren genauen Mengen, Typen und Verteilungen genau den Anwendungsbedingungen angepaßt werden müssen.

FeCrAl alloys are high temperature structural materials with ever increasing technological importance, because in the temperature range of 900-1300°C their resistance against environmental attack exceeds that of other metallic materials. This is due to the formation of a protective alumina scale on the surface of FeCrAl-alloys during high temperature service. During exposure at elevated temperatures, the major life limiting factor for FeCrAl alloys is the depletion of the alloy Al-content. In the present work a number of commercial and model alloys have been studied with respect to the lifetime oxidation behaviour. The experimentally determined lifetimes were compared with those calculated based on the available lifetime prediction model. Analytical studies were performed on oxidised alloys using a range of surface analysis techniques to elucidate the oxidation mechanisms as a function of exposure time and temperature. The results demonstrate the importance of the minor alloying chemistry for scale growth rate and adherence and consequently for the service life of FeCrAl-based components. The observed differences in oxidation rates between the studied commercial materials and even between different batches of one commercial alloy have been found to originate from the interaction of typical minor alloying additions of the reactive elements, such as Y, La, Ti, Zr and Hf with typical alloy impurities of carbon and nitrogen. A major finding was that for this reason, the optimum oxidation resistance can not be achieved by one reactive element addition, but rather by a combination of the latter. The exact amounts, type and distribution of the reactive elements must be carefully selected depending on the particular alloy application.

Fulltext:
PDF
(additional files)