Water vapour effect on high temperature oxidation behaviour of superalloy Rene 80

• Autorzy: Nowak W. J. , Wierzba P. , Naumenko D. , Quadakkers W.J. , Sieniawski J.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amst-2016-0009

Warianty tytułu

PL

Wpływ pary wodnej na proces utleniania wysokotemperaturowego nadstopu niklu Rene 80

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The commercial Ni-base superalloy Rene 80 was isothermally oxidized at 1050°C in synthetic air and synthetic air with addition of H₂O in two types of experiments: during oxidation in a thermobalance for 50 h and during oxidation in a tube furnace. During thermobalance oxidation the water vapour content was 7% while during tube furnace oxidation 20%. The samples were exposed up to 100 hours. The obtained results revealed that Rene 80 formed the oxide scale consisting of TiO₂ and Cr₂O₃ in the outer and BCrO₃ in the inner part of the oxide scale. Below the latter oxides internal Al₂O₃ precipitates are visible. Such an oxide scale morphology was observed on samples exposed in both atmospheres. For material oxidised in dry synthetic air an additional phase, namely TiN below the zone of internal oxidation of aluminium was found for all of the times. The internal TiN phase was supressed due to the presence of water vapour in the atmosphere. The obtained results showed that such a suppression is observed up to at least 100 hours.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań kinetyki procesu utleniania wysokotemperaturowego nadstopu niklu Rene 80 w temperaturze 1050°C i w czasie 100 h, w środowisku syntetycznego powietrza z i bez dodatku pary wodnej. Do utleniania stosowano dwa rodzaje pieców: komorowy – próba termograwimetryczna i piec rurowy. Przyjęto zawartość pary wodnej w powietrzu syntetycznym podczas próby w komorze termograwimetrycznej – 7%, natomiast w piecu rurowym 20%. Analiza wyników badań składu chemicznego metodami emisyjnej spektroskopii optycznej z wyładowaniem jarzeniowym (GD-OES) i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) na przekroju warstwy utlenionej wykazała, że na podłożu nadstopu niklu Rene 80 tworzy się wielostrefowa zgorzelina złożona z tlenków TiO₂ i Cr₂O₃ w strefie zewnętrznej oraz tlenek BCrO₃ w strefie wewnętrznej. Poniżej warstwy wierzchniej zgorzeliny stwierdzono strefy wydzieleń nieciągłych tlenku Al₂O₃. Przedstawiona morfologia zgorzeliny jest charakterystyczna dla utleniania w obydwu atmosferach zarówno dla powietrza syntetycznego, jak również powietrza z parą wodną. Stwierdzono, że podczas utleniania w powietrzu syntetycznym (bez pary wodnej) tworzą się azotki TiN poniżej warstwy tlenku Al₂O₃. Azotki TiN nie wytworzyły się w warstwie utlenianej w atmosferze pary wodnej. Jest to spowodowane preferencyjną adsorpcją cząstek pary wodnej na powierzchni zgorzeliny.

Słowa kluczowe

EN

superalloy Rene 80; high temperature oxidation; water vapour

PL

nadstop niklu Rene 80; korozja wysokotemperaturowa; para wodna

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN ; De Gruyter
• Czasopismo: Advances in Manufacturing Science and Technology
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 40, nr 2
• Strony: 41--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Nowak W. J.

• Department of Materials Science, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszow University of Technology, Powstancow Warszawy 12, 35-959 Rzeszow, Poland

autor

Wierzba P.

• Department of Materials Science, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszow University of Technology, Powstancow Warszawy 12, 35-959 Rzeszow, Poland

autor

Naumenko D.

• Institute for Energy and Climate Research, IEK-2 Forschungszentrum Jülich GmbH

autor

Quadakkers W.J.

• Institute for Energy and Climate Research, IEK-2 Forschungszentrum Jülich GmbH

autor

Sieniawski J.

• Department of Materials Science, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszow University of Technology, Powstancow Warszawy 12, 35-959 Rzeszow, Poland

Bibliografia

• [1] D.L. DOUGLASS, P. KOFSTAD, A. RAHMEL, G.C. WOOD: International workshop on high-temperature corrosion. Oxid. Met. 45(1996) 5/6, 529-620.
• [2] W.J. QUADAKKERS, J.F. NORTON, S. CANETOLI, K. SCHUSTER, A. GIL: Hot-stage microscopy of the nucleation and growth of oxide scales on Cr and Cr-based alloys, Proc. 3rd International Conference on Microscopy of Oxidation, Cambridge, 1996, 609-619.
• [3] M. HANSEL, W.J. QUADAKKERS, L. SINGHEISER, H. NICKEL: Korrosions- und kompatibilitätsstudien an Cr-basislegierungen für den metallischen interkonnektor der hochtemperaturbrennstoffzelle. Report Forschungszentrum Julich, 1998; ISSN 0944-2952.
• [4] G. HULQUIST, B. TVETEN, E. HORNLUND: Hydrogen in chromium: influence on the high-temperature oxidation kinetics in H2O, oxide-growth mechanisms, and scale adherence. Oxid. Met., 54(2000) 1/2, 1–10.
• [5] S. HENRY, J. MOUGIN, Y. WOUTERS, J.P. PETIT, A. GALERIE: Characterisation of chromia scale grown on pure chromium in different oxidizing atmospheres. Mater. High Temp., 17 (2000) 2, 231-235.
• [6] M. HANSEL, W.J. QUADAKKERS, D.J. YOUNG: Role of water vapour in chromia scale growth at low oxygen partial pressure. Oxid. Met., 59(2003) 3/4, 285-301.
• [7] E. ESSUMAN, G. MEIER, J. ZUREK, M. HANSEL, W.J. QUADAKKERS: The effect of water vapor on selective oxidation of Fe–Cr alloys. Oxid. Met., 69(2008) 3, 143-162.
• [8] T. MALKOV, W.J. QUADAKKERS, L. SINGHEISER, H. NICKEL: Report Forschungszentrum Julich, (1998), ISSN 0944-2952.
• [9] D.P. WHITTLE, J. STRINGER: Improvements in high temperature oxidation resistance by additions of reactive elements or oxide dispersions. Philos. Trans. R. Soc. A, 295(1980), 309-329.
• [10] B.A. PINT, P.F. TORTORELLI, I.G. WRIGHT: In John Stringer Symposium on High Temperature Corrosion; ASM International: USA, (2003), 1-10.
• [11] E.J. OPILA: Volatility of common protective oxides in high-temperature water vapor: current understanding and unanswered questions. Mater. Sci. Forum, (2004), 461-464, 765-774.
• [12] E.J. OPILA, N.S. JACOBSON, D.L. MYERS, E.H. COPLAND: Predicting oxide stability in high-temperature water vapour. JOM 58, (2006), 22-28.
• [13] M. STANISLOWSKI, E. WESSEL, T. MARKUS, L. SINGHEISER, W.J. QUADAKKERS: Chromium vaporization from alumina-forming and aluminized alloys. Solid State Ionics, 179(2008), 2406-2415.
• [14] N. MU, K. JUNG, N.M. YANAR, F.S. PETTIT, G.R. HOLCOMB, B.H. HORWARD, G.H. MEIER: The effects of water vapor and hydrogen on the high-temperature oxidation of alloys. Oxid. Met., 79(2013), 461-472.
• [15] M. MICHALIK, M. HANSEL, J. ZUREK, L. SINGHEISER, W.J. QUADAKKERS: Effect of water vapour on growth and adherence of chromia scales formed on Cr in high and low pO2-environments at 1000 and 1050°C. Mater. High Temp., 22(2005) 3/4 , 213-221.
• [16] J. EHLERS, D.J. YOUNG, E.J. SMAARDIJK, A.K. TYAGI, H.J. PENKALLA, L. SINGHEISER, W.J. QUADAKKERS: Enhanced oxidation of the 9% Cr steel P91 in water vapour containing environments. Corros. Sci., 48(2006), 3428-3454.
• [17] K. SEGERDAHL, J.E. SVENSSON, M. HALVARSSON, I. PANAS, L.G. JOHANSSON: Breakdown of the protective oxide on 11% Cr steel at high temperature in the presence of water vapor and oxygen, the influence of chromium vaporization. Mater. High Temp., 22(2005), 69-78.
• [18] E. ESSUMAN, G. MEIER, J. ZUREK, M. HANSEL, L. SINGHEISER, T. NORBY, W.J. QUADAKKERS: Effect of oxygen partial pressure on the oxidation behaviour of an yttria dispersion strengthened NiCr-base alloy. J. Mater. Scie., 43 (2008), 5591-5598.
• [19] J.P. PFEIFER, H. HOLZBRECHER, W.J. QUADAKKERS, J. SPEIER: Quantitative analysis of oxide films on ODS*-alloys using MCs+-SIMS and e-beam SNMS**. J. Anal.Chem., 346 (1993), 186-191.
• [20] W.J QUADAKKERS, A. ELSCHNER, W. SPEIER, H. NICKEL: Composition and growth mechanisms of alumina scales on FeCrAl-based alloys determined by SNMS. App. Surf. Sci., 52 (1991), 271-287.
• [21] W.J. QUADAKKERS, D. NAUMENKO, E. WESSEL, V. KOCHUBEY, L. SINGHEISER: Growth rates of alumina scales on FeCrAl alloys. Oxid. Met., 61(2004)1/2, 17.
• [22] A. JALOWICKA: Effect of strengthening additions on the oxidation and sulphidation resistance of cast Ni-base superalloys. PhD Thesis, RWTH Aachen University, Aachen, 2013.
• [23] A. JALOWICKA, W. NOWAK, D.J. YOUNG, V. NISCHWITZ, D. NAUMENKO, W.J. QUADAKKERS: Boron depletion in a nickel base superalloy induced by high temperature oxidation. Oxid. Met., 83 (2015), 393-413.
• [24] U. KRUPP, H.J. CHRIST: Internal nitridation of nickel-base alloys. Part I. Behavior of binary and ternary alloys of the Ni-Cr-Al-Ti system. Oxid. Met., 52 (1999), 277-298.
• [25] U. KRUPP, H.J. CHRIST: Internal nitridation of nickel-base alloys. Part II. Behavior of quaternary Ni-Cr-Al-Ti alloys and computer-based description. Oxid. Met., 52(1999), 299-320.
• [26] A. JALOWICKA, W. NOWAK, D. NAUMENKO, L. SINGHEISER, W.J. QUADAKKERS: Effect of nickel base superalloy composition on oxidation resistance in SO2 containing, high pO2 environments. Mater. Corros., 65(2014), 178-187.
• [27] M. MICHALIK, S.L. TOBING, M. HANSEL, V. SHEMET, W.J. QUADAKKERS, D.J. YOUNG: Effects of water vapour on the high temperature nitridation of chromium. Materials and Corrosion, 65(2013) 3, 260-266.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017)