Factors governing breakaway oxidation of FeCrAl-based alloys

Abstract

At temperatures above around 1100 °C the life time of FeCrAl based alloy components can be limited by oxidation. Growth and spalling of the protective alumina scale leads after long exposure times to a depletion of aluminium in the alloys, eventually resulting in breakaway oxidation. This life time limit can be predicted using a recently developed model, taking into account scale growth rate (characterized by the parameters k and n), initial alloy Al content (Co), critical Al content for protective alumina formation (CB), oxide adherence and component geometry. Based on the evaluation of long term oxidation data for a number of commercial and model FeCrAl alloys it is shown that the life time can substantially be increased by decreasing the oxide growth rate and/or increasing Co, whereby application of the latter factor is in most practical cases limited due to restrictions imparted by the alloys' mechanical properties. For typical commercial ODS materials CB is around 1 wt-%, however, this value is strongly affected by the exact alloy composition, especially Cr-content. CB seems to be higher for dispersion strengthened alloys than for conventional wrought materials. The adherence of the oxide scale not only depends on type and exact amount of reactive element (oxide) addition but also on other common minor alloying additions, such as Ti. Indications were found, that oxide adherence is also affected by the mechanical strength of a material and/or component. Bestimmende Einflußgrößen für die katastrophale Oxidation von FeCrAl-Legierungen Bei Einsatztemperaturen oberhalb etwa 1100 °C kann die Lebensdauer von Bauteilen aus FeCrAl-Legierungen durch Oxidation begrenzt werden. Nach Langzeiteinsatz bewirken Oxidschichtwachstum und -abplatzen eine Verarmung des Aluminiums in der Legierung, was letztendlich zu einer katastrophalen Oxidation führt. Der Zeitpunkt, bei dem dieser Effekt auftritt, kann mit Hilfe eines kürzlich entwickelten Modells vorhergesagt werden. Die lebensdauerbestimmenden Größen sind Oxidwachstumsrate (charakterisiert durch die Parameter k und n), der anfängliche Al-Gehalt (Co), die kritische Al-Konzentration für schützende Deckschichtbildung (CB), die kritische Deckschichtdicke und die Bauteilgeometrie. Aus einer Reihe von Langzeitdaten, ermittelt an kommerziellen Werkstoffen und Modellegierungen, wird abgeleitet, daß die Lebensdauer verlängert werden kann durch eine Erniedrigung der Oxidwachstumsrate und/oder eine Erhöhung von Co. Es muß jedoch berücksichtigt werden, daß letzteres meistens zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften führt. Der Wert von CB liegt für typische kommerzielle Legierungen bei etwa 1%, er wird jedoch von der genauen Legierungszusammensetzung, insbesondere dem Cr-Gehalt, stark beeinflußt. Für dispersionsverfestigte Legierungen scheint CB höher zu sein als für konventionelle Knetlegierungen. Die Haftung der Oxidschicht hängt bekannterweise vom Typ und von der exakten Konzentration des Zusatzes von reaktiven Elementen bzw. deren Oxiden ab. Es wird jedoch gezeigt, daß auch andere häufig vorhandene Begleitelemente, wie z. B. Ti, einen entscheidenden Einfluß auf die Haftung haben können. Außerdem scheint die Oxidhaftung von den mechanischen Eigenschaften des metallischen Substrats beeinflußt zu werden.