Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit von Ni-Basislegierungen mit Hilfe des Halogeneffektes
Final Report Abstract
Als häufig für Turbinenschaufeln verwendete Werkstoffe sind die Ni-Basislegierungen mit einem Al-Gehalt von kleiner 10 Gew.-% Temperaturen von 1000°C - 1200°C ausgesetzt. Die ungeschützte Legierung bildet an der Oberfläche bereits nach kurzer Zeit eine mehrphasige Oxidschicht, die durch innere Oxidation von Al charakterisiert wird und keinen ausreichenden Oxidationsschutz bietet. Der Stand der Technik besteht im Auftragen von Al-reichen Coatings und Spritzschichten, welche bei Temperaturen ab 1000°C eine schützende Al2O3 - Schicht bilden. Ein alternatives Verfahren unter Verwendung des Halogeneffektes wurde in diesem Projekt vorgeschlagen und untersucht. Auf Grund der guten Erfahrungen beim TiAl wurde vorwiegend mit Fluor gearbeitet. Die gezielte Dotierung der oberflächennahen Region mit Fluor führte zur selektiven Bildung von Al-Fluoriden, die nach ihrem Transport zur Oberfläche zerfielen, wobei das Al oxidiert wurde. Die künstliche Erhöhung der Al-Aktivität an der Oberfläche mit Hilfe des F-Effektes stimulierte somit die Bildung einer dünnen Al2O3-Schutzschicht. Die erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: 1) Thermodynamische Berechnungen sagten die Existenz eines Korridors für den F- und Cl-Effekt für die Legierungen IN738 und IN939 für Temperaturen von 900-1200°C voraus. Der F-Effekt wurde als der effektivere ermittelt. Für einen Br- und Jod-Effekt konnten keine Fenster bzw. Korridore ermittelt werden. 2) Die Konversion des thermodynamisch postulierten Bereichs für den F-Gesamtpartialdruck in einen F-Gehalt (in at.-%) erfolgte mittels eines Screenings. 3) Die Beamline-Ionenimplantation erlaubte eine genau definierte und reproduzierbare F-Dotierung. Die mittels Monte Carlo-Simulation berechneten F-Tiefenprofile ermöglichten eine Vorhersage der experimentellen Profile bei den gegebenen Implantationsparametern Fluenz und Energie. Mit Hilfe der zerstörungsfreien PIGE-Technik wurden die F-Profile verifiziert. 4) Das systematische Screening ergab für die Legierung IN738 optimale Implantationsparameter im Bereich 5 x 10 16 und 1 x 10 17 F cm-2 bei 38 keV. Dies entsprach einer F-Konzentration von ca. 9 - 17 at.-% im Maximum des Implantationsprofils. Bei 1050°C bildete sich eine dünne schützende Al2O3 - Schicht, die von einer dünnen Ni-Al-Spinellschicht bedeckt wurde. Die Nitridbildung in der Metallrandzone wurde unterdrückt. 5) Bei einer Temperatur von 1050°C zeigte die isotherme Oxidation mit simultaner TGA (1000h/1050°C/Luft) - nach anfänglicher starker Massenzunahme auf Grund der Bildung metastabiler Oxidphasen - für IN738 den Übergang zur Aluminiumoxidkinetik. Teilweise wurde ein Abplatzen der äußeren porösen Cr2O3 - Schicht beobachtet. 6) Die optimalen Implantationsparameter für die Legierung CMSX-4 wurden mit 10 16 bis 5x10 16 F cm-2 und 38 keV gefunden. Dies entsprach einem maximalen F-Gehalt von 2-8 at.-%. 7) Der Cl-Effekt konnte erstmals experimentell bestätigt werden bei einer optimalen Parameterkombination für IN738 von 2 x 10 17 Cl cm-2 / 70 keV. Dies entsprach einem Cl-Gehalt von 23-25 at.-% im Maximum des Implantationsprofiles. 8) Der F-Gehalt ging während des Aufheizens auf 1000°C auf Werte von ca. 4-5 at.-% zurück. 9) Beim Abkühlvorgang wurde ein teilweises Abplatzen der schützenden Al2O3 – Schicht beobachtet. Durch eine Kombination von F- und reaktivem Elemente – Effekt wurde in ersten Vorversuchen eine bessere Haftung bei zyklischer Oxidation erreicht. In einem Nachfolgevorhaben sollten auf dieser Basis die Grundlagen für den späteren technischen Einsatz geklärt werden.
Publications
- A new concept of oxidation protection of Ni-base alloys by using the halogen effect. Materials at High Temperatures, Vol. 26. 2009, Issue 1, pp. 85-89.
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(See online at https://dx.doi.org/10.1149/1.3315793) - The Halogen Effect for Ni-Base Superalloys – a Thermodynamic Study.
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H.-E. Zschau, P. J. Masset, M. Schütze
(See online at https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.638-642.2375) - Oxidation Protection of Ni-base Superalloys by Halogen Treatment.
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