Alkali sulphates induced hot corrosion of a β-NiAl coating on a second-generation single-crystal Ni-based superalloy

Wang, Yaping; Spatscheck, Robert (Thesis advisor); Zander, Brita Daniela (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Während des Betriebs sind Hochtemperaturkomponenten von Gasturbinen häufig schwefelhaltigen Gasen und Alkalisulfatablagerungen ausgesetzt. Die durch diese Ablagerungen induzierte beschleunigte Korrosion, die als Heißgaskorrosion bezeichnet wird, führt zu einer schnellen Degradation und einem Ausfall der Turbinenkomponenten. Von großer Bedeutung, um ihre Mechanismen zu verstehen, den Angriff abzuschwächen und die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern, ist daher die Erforschung der Heißgaskorrosion an typischen Materialien dieser Komponenten (Ni-Basislegierungen und -beschichtungen). In der vorliegenden Arbeit wurde die durch Alkalisulfate induzierte Heißgaskorrosion einer β-NiAl-Beschichtung auf einer einkristallinen Ni-Basis-Superlegierung untersucht. Wesentlich für das Verständnis der Reaktionen dieses Heißgaskorrosionsprozesses ist die Thermodynamik des Na2SO4-K2SO4-NiSO4-Systems. In der vorliegenden Arbeit wurden erstmals die Phasengleichgewichte des NiSO4-K2SO4-Systems durch Differenz-Thermoanalyse (DTA), Dilatometrie (DiL) und Röntgenbeugung experimentell bestimmt. Basierend auf den erhaltenen experimentellen Daten wurde das NiSO4-K2SO4-System thermodynamisch mit der CALPHAD-Methodik bewertet. Dieser Datensatz erweitert durch den Zusatz des NiSO4 die zuvor entwickelte allgemeine Sulfatdatenbank, die Alkali- und Erdalkalisulfate (CaSO4-MgSO4-Na2SO4-K2SO4) einschließt. Anhand des optimierten Datensatzes wurden die Stabilitätsdiagramme und die Anteile der flüssigen Phasen des Na2SO4-K2SO4-NiO-SO3-Systems und der Subsysteme berechnet, um einen Einblick in die Korrosionsmechanismen zu erhalten. Die Aggressivitäten von Na2SO4, K2SO4 und binären Na2SO4-K2SO4-Ablagerungen wurden durch Heißgaskorrosionstests an einer β-NiAl-Beschichtung auf einer einkristallinen Ni-Basis-Superlegierung verglichen. Des Weiteren wurden verschiedene Mischungen aus Alkalisulfaten und Ni-Oxid/Sulfat-Pulvern hergestellt und unter den gleichen Bedingungen wie die beschichtete Superlegierung ausgelagert. Der Vergleich der Zusammensetzung und Morphologie der Reaktionsprodukte zwischen der beschichteten Superlegierung und den gemischten Pulvern ermöglichte ein tieferes Verständnis der beteiligten Korrosionsphänomene. Dazu wurden die Korrosionsangriffsraten und Morphologien konnten mit den Zusammensetzungen der Ablagerungen und deren unterschiedlichen Reaktionen mit Oxiden korreliert werden. K2SO4- und Na2SO4-K2SO4-Ablagerungen sind aggressiver als Na2SO4. Dies ist auf die Verringerung der Schmelztemperatur der Ablagerungen und die Bildung einer Zwischenverbindung K2Ni2(SO4)3 in Gegenwart von K2SO4 zurückzuführen. Die Heißgaskorrosionskinetik der alitierten Ni-Basissuperlegierung wurde in einem weiten Temperaturbereich von 600-1000 °C unter der Na2SO4-20% K2SO4 Ablagerung untersucht. Die Temperaturabhängigkeit der Korrosionsraten zeigt zwei Maxima bei etwa 700 °C und 950 °C, entsprechend Typ II bzw. Typ I Heißgaskorrosion. Eine typische Heißgaskorrosionsmorphologie wurde bei 600 °C gefunden. Bei dieser Temperatur ist die Bildung flüssiger Phasen thermodynamisch unwahrscheinlich, was auf die Bedeutung von Festkörperreaktionen für die Lebensdauer der Komponenten im niedrigen Temperaturbereich hinweist. Bei 800 °C wurde ein lokaler Korrosionsangriff (Pitting) an den Korngrenzen der Schicht identifiziert, der mit Cr-reichen Ausscheidungen korreliert ist und den Angriff durch Reaktion mit der Abscheidung fördern könnte. Nach längeren Auslagerungszeiten durchdrangen die Pittings die Beschichtung, sodass das Grundmaterial korrosiv angegriffen wurde. Bei 1000 °C bildete sich eine verhältnismäßige dichte schützende Aluminiumoxidschicht und die Korrosionsrate nahm im Vergleich zu 850-950 °C dramatisch ab.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Korrosion und Korrosionsschutz [522710]

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