Einfluss von Wasserstoff in Dampf auf die externe und innere Oxidation von Fe- and Ni-Basislegierungen

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhard Dörner; Privatdozent Dr.-Ing. Mathias Galetz; Dr.-Ing. Dmytro Naumenko
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390545697

Metallische Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen bilden Oxidschichten an ihrer Oberfläche zum Schutz gegen den korrosiven Angriff. Die kritische Konzentration von Chrom oder Aluminium in der Legierung, die zur Ausbildung solcher schützender Oxidschichten benötigt wird, hängt vom Wasserdampfgehalt der Umgebung ab. Eine hohe Anzahl an Untersuchungen hat gezeigt, dass der Mechanismus, der zu diesem technologisch sehr bedeutenden Effekt führt, bei verschiedenen Legierungen unterschiedlich sein kann. Zudem scheinen die bei hohen Temperaturen (um 900°C) vorherrschenden Mechanismen andere zu sein als die bei niedrigeren Temperaturen (um 600°C). Neuere Untersuchungen weisen deutlich darauf hin, dass im höheren Temperaturbereich Wasserstoff aus dem Gas oder aus der Reaktion von Wasserdampf mit der (oxidierten) Metalloberfläche die selektive Oxidation des oxidbildenden Elements (Aluminium oder Chrom) beeinflusst. Dies wird auf einen direkten Einfluss von Wasserstoff auf den internen Oxidationsprozess und/oder auf die Wachstumsrate des Oxids zurückgeführt. Der letztere Fall (Fe-reiche Oxide auf Fe-Cr-Basis-Legierungen und Ni-reiche Oxide auf Ni-Cr(-Al)-Basis-Legierungen) könnte mit der Wasserstoff-Dotierung des Oxidgitters oder mit dem molekularen Transport gasförmiger Verbindungen (Wasserdampf und/oder Wasserstoff) durch die Oxidschicht zusammenhängen. Ein großes Manko bei der Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen war bisher die mangelnde Fähigkeit, im Tiefenprofil eine quantitative Analyse von Wasserstoff in der Oxidschicht und in der darunter liegenden internen Oxidationszone in der Legierung zu bestimmen.In dem beantragten Projekt wird der Einfluss von Wasserdampf auf die Bildung schützender Oxidschichten untersucht, wobei drei Modell-Legierungssysteme eingesetzt werden: FeCr- und NiCr-Basis-Legierungen und NiCrAl-Legierungen. Zu diesem Zweck wird die In-situ-Bestimmung der Oxidationskinetik kombiniert mit mikrostrukturelle Analytik mittels REM, EDX/WDX, TEM, XRD und der Messung von Tiefenprofilen mittels SNMS und GDOES. Die Schwerpunkt des Projekts wird die Anwendung eines neuen Verfahrens für die tiefenaufgelöste Messung der Wasserstoffkonzentration. Hierfür wird NRA- und PIXE-Analytik in wohldefinierten mittels GDOES erzeugten Sputter-Kratern angewendet. Um mögliche Einflüsse von Hintergrund-Wasserstoff-Signalen auszuschließen, werden einige der Auslagerungen in D2- und/oder D2O-haltigen statt H2- und/oder H2O-haltigen Gasatmosphären durchgeführt werden. Um mögliche Anteile des molekularen Transports gasförmiger Verbindungen über Mikrodefekte zu ermitteln, die von Spannungen aus dem Oxidwachstum verursacht wurden, werden zudem In-situ-Schallemissionsmessungen durchgeführt werden.Schließlich wird ein Modellierungsansatz entwickelt werden, so dass bestehende Oxidationstheorien erweitert werden, um den Einfluss von Wasserdampf und/oder Wasserstoff auf die Bedingungen für das Ausbilden schützender äußerer Oxidschichten zu berücksichtigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Brian Gleeson