Hochtemperaturoxidationsstudien zum Wasserdampfeinfluss auf thermisch wachsende Chromoxidschichten

Abstract

Die meisten Hochtemperaturlegierungen sind auf die Bildung einer schützenden Chromoxidschicht während des Betriebs angewiesen. In der vorliegenden Studie findet eine Verknüpfung zwischen kinetischen Daten der Oxidation und Mikrostrukturanalysen sowie Spannungsmessungen der auf Cr, Ni-25Cr, Fe-10Cr und Fe-18Cr gebildeten Cr2O3-Schichten statt. Die Legierungen wurden verschiedenen trockenen und feuchten Atmosphären mit unter-schiedlichen Anteilen von Sauerstoff und Wasserdampf ausgesetzt. Die Oxidationszeit bei Temperaturen von 700°C - 1000°C der unterschiedlich dicken Proben betrug 24 Stunden. Thermogravimetrische Daten wurden mit Hilfe einer Mikrowaage aufgezeichnet. Die Mikrostrukturen der oxidierten Proben wurden mit verschiedenen experimentellen Techniken untersucht. Zum Einsatz kamen die Rasterelektronenmikroskopie, die Röntgendiffraktometrie sowie Elektronenrückstreubeugungstechniken sowie transmissionselektronenmikroskopische Analysen. Signifikante Unterschiede in den Oxidationsraten, die bei Oxidationsexperimenten beobachtet wurden, lassen sich durch unterschiedliche atmosphärische Bedingungen und Druckspannungen innerhalb der Schichten erklären. Offensichtlich ändert sich die Defektstruktur von Chromoxid in Abhängigkeit von den oben genannten Faktoren. Die Unterschiede des Chromoxidwachstums in trockenen und wasserdampfhaltigen Atmosphären sind das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen Chromoxid und verschiedenen Gasspezies wie Wasserstoff und Hydroxidionen aber auch Protonen. Es konnte nachgewiesen werden, dass einige Oxidationsphänomene nicht durch die klassische Oxidationstheorie erklärt werden können. Es ist jedoch anzunehmen, dass Wasserdampf die Punktdefektstruktur innerhalb der Chromoxidschichten stark beeinflusst. Durch die genau abgestimmten Gaszusammensetzungen war es möglich, die Auswirkungen des Sauerstoffpartialdrucks und der Wasserdampfzugabe auf das Oxidationsverhalten und die Defektstruktur von Chromoxid gründlich und systematisch zu untersuchen.

Most high temperature alloys rely on the formation of a protective chromia scale during service. In this thesis the kinetic data of oxidation is strongly connected to a microstructural analysis and to stress measurements of the Cr2O3 layer formed on Cr, Ni-25Cr, Fe-10Cr and Fe-18Cr. The alloys were exposed to different dry and wet atmospheres with different oxygen and water vapour contents. Samples with different thicknesses were oxidized for 24 hours in the temperature range from 700°C - 1000°C. Thermogravimetric data were obtained using a microbalance system. The microstructures of oxidized samples were analysed using various experimental techniques such as scanning electron microscopy, X-ray diffraction and transmission electron backscatter diffraction in conjunction with transmission electron microscopy analysis. Significant differences in the oxidation rates, observed during oxidation experiments, can be explained by different atmospheric conditions and compressive stresses within the scales. Obviously, the defect structure of chromia changes depending on the factors mentioned above. The differences of chromia growth in dry and water vapour containing atmospheres are a result of interactions between chromia and various gas species, such as hydrogen and hydroxide and also protons. It can be concluded that some oxidation phenomena cannot be explained by classical oxidation theory. However, it is reasonable to assume that water vapour influences the point defect structure in the chromia scale notably. As an important consequence of the precisely adjusted gas compositions, the effects of the oxygen partial pressure and the water vapour addition on the oxidation behaviour and the corresponding defect structure of chromia have been studied thoroughly and systematically.