Oxidation induced phase transformations and lifetime limits of chromia forming nickel base alloy 625

  • Oxidationsbedingte Phasenumwandlungen und Lebensdauergrenzen der chromoxidbildenden Nickelbasislegierung 625

Chyrkin, Anton; Schneider, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011, 2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Die Kriechbeständigkeit der kommerziellen Nickelbasislegierung INCONEL 625 bei hohen Temperaturen beruht auf Mischkristallverfestigung in Kombination mit Ausscheidungshärtung durch die intermetallische Phase Delta-Ni3Nb und Karbide vom Typ (Ni,Mo,Si)6C. In oxidierenden Atmosphären bildet dieser Werkstoff auf dessen Oberfläche eine kontinuierliche, langsam wachsende Chromoxidschicht, die das Material gegen schnellen Oxidationsangriff schützt. Das Chromoxidwachstum führt zu einer Chromverarmung in einer Zone unterhalb der Oxidschicht. Umfangreiche mikrostrukturelle Charaktersierung oxidierter Proben ergab, dass sich in der chromverarmten Zone ein ausscheidungsfreier Bereich unterhalb der oxidischen Deckschicht bildet, obwohl Chrom kein wesentlicher Bestandteil in beiden Ausscheidungsphasen ist. Außerdem ergaben die Mikrostrukturuntersuchungen, dass sich unmittelbar an der Metall/Oxid-Grenzfläche ein dünner Saum aus niobreichen Ausscheidungen der intermetallischen Phase Delta-Ni3Nb bildet. Durch thermodynamische und kinetische Modellierung der Verarmungsvorgänge mittels der kommerziellen software Thermo-Calc/DICTRA konnte gezeigt werden, dass die innere Phasenan- und Phasenabreicherung während der Oxidation (englische Abkürzung SPE) durch sogenannte Aufwärtsdiffusion ("uphill-diffusion") des Delta-Ni3Nb stabilisierenden Elementes Niob im Chromaktivitätsgradienten bedingt ist. SPE ist daher eine Konsequenz der oxidationsbedingten Chromverarmung unter der Oxidschicht. Laut der durchgefürten thermodynamischen Berechnungen sinkt die chemische Aktivtät von Niob in INCONEL 625 mit abnehmendem Chromgehalt. Durch den andauernden Chromverbrauch in der Legierungsmatrix zur Bildung der Oxidschicht an der Oberfläche stellt sich die niedrigste Niobaktivität an der Metall/Oxid-Grenzfläche ein, d.h. an der Stelle mit der geringsten Chromkonzentration. Dieser Aktivitätsgradient ist die Triebkraft für die Aufwärtsdiffusion von Niob in Richtung der Metall/Oxid-Grenzfläche entgegen dessen eigenem Konzentrationsgradienten. Die Untersuchungen ergaben, dass in der chromverarmten Zone in INCONEL 625 ebenfalls eine Auflösung des M6C-Karbids auftritt, obwohl Chrom kein Hauptbestandteil des (Ni,Mo,Si)6C-Karbid ist. Laut thermodynamischen Berechnungen beruht die Karbidauflösung in INCONEL 625 auf eine Erhöhung der Kohlenstoffaktivität bei abnehmender Chromkonzentration. Dies führt zu einer Rückdiffusion von Kohlenstoff, d.h. Kohlenstoff diffundiert von der Metall/Oxid-Grenzfläche, die am stärkstem an Chrom verarmt ist, in Richtung der Probenmitte. Dies bewirkt eine Auflösung des M6C in der chromverarmten Zone. Es konnte gezeigt werden, dass der SPE-Effekt in dünnen Folienproben (typischerweise 0.1 mm) von INCONEL 625 viel weniger ausgeprägt ist als in dicken Blechproben. Diese Abhängigkeit der Probendicke ist auf unterschiedliche Reservoirs des oxidbildenden Elementes, sowie des Delta-Phase stabilisierenden Elementes Niob zurückzuführen. Die dünnen Folienproben werden schneller an Chrom verarmt als die dicken Proben. Dies führt zu flacheren Chromkonzentrationsprofilen, d.h. zu einer geringeren Triebkraft für die Aufwärtsdiffusion von Niob in Richtung der Metall/Oxid-Grenzfläche. In dünneren Proben ist daher der SPE-Effekt wesentlich schwächer und es tritt nach längeren Auslagerungszeiten eine vollständige Auflösung von M6C in der Probenmitte auf. Somit wird der SPE-Effekt in sehr dünnwandigen Komponenten, d.h. in sehr dünnen Folien oder in Metallschäumen, aus INCONEL 625 nicht beobachtet. Die Anreicherung der Delta-Phase an der Metall/Oxid-Grenzfläche tritt während der Oxidation von Metallschäumen mit einem Partikeldurchmesser von 20-60 µm nicht auf und kann bei der Modellierung der oxidationsbedingten Lebensdauergrenzen solcher Komponenten aus INCONEL 625 vernachlässigt werden. Mittels einer FEM-Berechnung der Chromverarmung an der Metall/Oxid-Grenzfläche wurde gezeigt, dass die oxidationsbedingte Lebensdauergrenze in einem sphärischen Schaumpartikel eine parabolische Zeitabhängigkeit vom Radius der Schaumpartikel aufweist. Die berechneten Lebensdauerwerte sind in guter Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Werten. Auf Basis der ermittelten Oxidationsvorgänge wurde eine neue, allgemeine, analytische Beschreibung der oxidationsbedingten Lebensdauer für dünnwandige Komponente (Folien, Dräte, Metallschäume) hergeleitet. Das neue Modell stellt eine bequeme und einfache Gleichung dar, die eine Lebensdauervorhersage ohne Einsatz von zeitaufwendigen Rechenverfahren ermöglicht. Die neue Lebensdauerformel zeigt zum einen eine hervorragende Übereinstimmung mit den Ergebnissen bisheriger, jedoch zeitaufwendigerer Lebensdauermodelle, zum anderen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Lebensdauerwerten von Metallschäumen aus INCONEL625.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern