Numerische Simulation der Hochtemperaturoxidation von Stählen mit Hilfe der Methode der Zellularen Automaten: Modellentwicklung und experimentelle Verifikation
Beschichtungs- und Oberflächentechnik
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit den unter ISO-Bedingungen und damit vollständig beschrieben Testbedingungen erzeugten Daten, numerischen Daten und Bilddokumenten, steht ein Referenzdatensatz zur Verfügung, der für die weitere Entwicklung von numerischen Beschreibungen genutzt werden kann. In der BAM wird dieser Datensatz noch ergänzt mit Daten zur Oxidation in SO2. Die untersuchten binären und ternären Legierungen lassen sich leicht reproduzieren und auf diese Weise die Referenzdatenbank auf verschiedene Oxidationsbedingungen erweitern. Zwei Ansätze zur Modellierung wurden betrachtet, von denen die Methode der dynamischen Simulation vorher noch nicht in einer Publikation zur Oxidation genannt wurde. Sie wird eher für Ökosysteme und Wettervorhersagen genutzt, wo dynamischen Rückkopplungen für unvorhersagbare Reaktionen des Gesamtsystems sorgen. Werkstoffe enthalten diese nichtkausalen Anteile in Form von Ausscheidungen, Segregationen, lokaler Orientierung. Daher sind lokale Erscheinungen, wie lokale Korrosion, weder zeitlich noch örtlich vorhersagbar. Es besteht die Aussicht mit einer dynamischen Simulation diese als „zufällige“ Antwort durch lokale chemische Rückkopplung zu simulieren. Dies konnte in den drei Jahren noch nicht demonstriert werden. Insbesondere wird derzeit noch die lokale Verteilung des Cr in der „Verarmungszone“ und die Diffusion und Lösung des Sauerstoffs in der Fe-bcc Matrix untersucht. Das Simulationstool auf Basis der Zellularen Automaten konnte während der Projektlaufzeit sukzessive erweitert werden. Neben einem Transfer des Diffusionsmodells von 2D auf ein 3D-Modell wurde ein neues Keimbildungsmodell implementiert. Obwohl der bestehende Ansatz von Zhou und Wei die Ausscheidungsbildung durch die Verwendung einfacher Übergangsregeln umfassend beschreibt, gibt es immer noch eine Reihe von Nachteilen, die eine korrekte Vorhersage der Materialschädigung während der Verwendung bei hohen Temperaturen einschränken. Dieses wirkt sich insbesondere bei hohen Unterschieden in den Konzentrationen zwischen den diffundieren Gasspezies und den oxidbildenden Elementen aus. Im neuen Ansatz kommt das Löslichkeitsprodukt zum Einsatz. Anhand der Bildung von TiN in einer NiCr20Ti2-Legierung konnte das Modell validiert werden. Des Weiteren spielt die Bildung äußerer Oxidschichten eine entscheidende Rolle bei der Oxidation von FeCr-Stählen. Zur Simulation der externen Korrosion wurde das Modell um weitere Zustandsvariablen und Übergangsregeln erweitert. Das Modell ist in der Lage, sowohl die Bildung von Einzelschichtsystemen, z.B. durch die Oxidation des Matrixelements (hier: Fe und Bildung von Fe3O4) oder eines Legierungselements (hier: Cr und Bildung von Cr2O3), als auch die Bildung von Mehrschichtsystemen (hier: Bildung von Fe3O4 und FeCr2O4-Spinell) bei Oxidation des Matrix- und des Legierungselements (hier: Fe und Cr) abzubilden. Die Simulationsergebnisse wurden anhand der experimentellen Untersuchungen verifiziert. Insgesamt konnte die Schichtdicke sowie das parabolische Wachstum der Cr2O3-Schicht korrekt abgebildet werden. Perspektivisch ist hier die Einbeziehung computergestützter Thermodynamik möglich, um die Phasenbildung der Oxide anhand thermodynamischer Daten noch genauer bestimmen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Numerical Simulation of High-Temperature Steel Oxidation by Means of the Cellular Automata Approach, Gordon Research Conference “High Temperature Corrosion, 09.-13.09.2019, New London, NH, USA
M. Létang, K. Jahns, R. Simkin, A. Kranzmann, U. Krupp
- Oxidation behavior of FeCr model alloys in synthetic air at temperatures above 600 °C, Gordon Research Conference “High Temperature Corrosion, 09.-13.09.2019, New London, NH, USA
R. Simkin, A. Kranzmann, A. Pfennig, G. Heide
