Properties of ferritic Fe-Cr-Al, alumina-forming austenitic, and Fe-Cr-Si alloy coatings at elevated temperatures

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2012

Department

Koneenrakennustekniikan laitos

Major/Subject

Koneenrakennuksen materiaalitekniikka

Mcode

Kon-67

Degree programme

Language

en

Pages

156 + [31]

Series

Abstract

Conventional heat-resistant stainless steels used in the critical components of a fossil power plant rely on chromium oxide scales for protection against high-temperature oxidation. In order to achieve higher efficiency of the plants, the operating temperatures of the power plants must increase. The chromia (Cr2O3) scales may no longer provide a sufficient protection against high temperature corrosion attack in temperatures well above 600°C and, thus, new approaches are needed to replace the usage of chromia as the provider of the high-temperature corrosion resistance of the construction materials. Two of the most widely explored replacements to the chromium oxide in iron-based high temperature alloys are aluminium oxide (Al2O3) and silicon oxide (SiO2). The purpose of both alloying elements, Al and Si is to form a healing layer of either aluminium oxide or silicon oxide to protect the structural material against high-temperature corrosion attack. The main goal of this thesis is to study the formation of aluminium and silicon oxide layers on the surface of the aluminium or silicon containing high-temperature alloy and to assess the durability of the oxide scale in chlorine-containing environment. The studied materials in the experimental part were alumina forming, ferritic Kanthal A-1 alloy (nominal Al composition of 5.8 wt. %), manually composed FeCr-Al alloy with a nominal Al composition of 10 wt. %, and silica-forming Fe-12Cr-2Si alloy. Manufacturing of Kanthal A-1 cladding was successful with the Al and Cr concentrations quite evenly distributed throughout the weld. Kanthal A-1 was able to form external, continuous aluminium oxide scale on its surface during the oxidation at 950°C and the peroxidised scale performed well in KCl-tests. Manufacturing of Fe-17Cr-10Al was more challenging. The Al and Cr concentrations had significant variation throughout the weld, i.e., the compositions measured from the first pass of the sample were totally different than those measured from the other pass of the sample. Fe-17Cr-10Al was not able to form continuous aluminium oxide scale during the oxidation test and in the KCl-tests; it formed a thick oxide scale with multiple different oxide layers present. Manufacturing of Fe-12Cr-2Si cladding was also successful; however, due to the lower Cr composition of the welding filler metal it was necessary to weld multiple passes on the surface of the base material in order to achieve the desired amount of Si and Cr addition. Fe-12Cr-2Si cladding formed a thin, continuous scale of chromium oxide with particles of silicon containing oxides on its surface during the oxidation at 950°C. Preoxidation of the Fe-12CR-2Si coating did not seem to have an effect on the performance of the coating in KCl containing environment.

Fossiilisista polttoainetta käyttävien voimaloiden kriittisissä komponenteissa perinteisesti käytetyt ruostumattomat teräkset saavat korroosion kestävyytensä niiden pintaan muodostuvista kromioksidikalvoista. Jotta voimaloiden hyötysuhdetta voitaisiin nostaa, täytyy voimaloiden toimintalämpötiloja pystyä nostamaan ja tällöin ruostumattoman teräksen pintaan muodostuva kromioksidi ei enää välttämättä suojaa materiaalia riittävästi korkeissa lämpötiloissa tapahtuvia korroosioreaktioita vastaan ja näin ollen tarvitaan uudenlaisia materiaaleja korvaamaan perinteiset ruostumattomat teräkset näissä käyttökohteissa. Kaksi eniten tutkittua korvausvaihtoehtoa perinteisille ruostumattomille teräksille ovat alumiini- sekä piiseosteiset ruostumattomat teräkset, jotka muodostavat pintaansa kromioksidikalvon sijaan joko alumiini- tai piioksidikalvon suojaamaan materiaalia korkealämpötilakorroosiolta. Tässä diplomityössä tutkitaan alumiini- ja piioksidikalvon muodostumista alumiini- sekä piiseostettujen ruostumattomien terästen pintaan sekä arvioidaan muodostuneen kalvon korroosionkestoa klooripitoisissa ympäristöissä. Työssä tutkittiin ferriittisiä Kanthal A-1 (5,8 p. % Al) sekä Fe12Cr-2Si (2,0 p. % Si) seoksia sekä kaksilankamenetelmällä valmistettua Fe-Cr-Al seosta, jonka valmistuksessa pyrittiin 10,0 p. %:n alumiinipitoisuuteen. Kanthal A-1 pinnoitteen valmistus onnistui hyvin: Al sekä Cr pitoisuudet jakautuvat tasaisesti ympäri pinnoitetta ja Kanthal A-1 pinnoitteen pintaan muodostui ohut, ulkoinen ja jatkuva alumiinioksidikalvo. joka suojasi materiaalia hapettumiselta ja korroosiolta myös klooripitoisessa ympäristössä. Fe-17Cr-10AI pinnoitteen valmistus oli haastavampaa. Al ja Cr pitoisuudet vaihtelivat näytteessä huomattavasti enemmän ja Fe-l7Cr-10Al pinnoite ei muodostanut jatkuvaa alumiinioksidikalvoa pintaansa. KCl-altistetun Fe-l7Cr-10Al pinnoitteen pintaan muodostui paksu monikerroksinen oksidikalvo. Fe-12Cr-2Si pinnoitteen valmistus onnistui myös hyvin, mutta koska Fe-12Cr2Si lisäaineessa oli merkittävästi vähemmän kromia seosaineena, jouduttiin perusaineen päälle pinnoittamaan useampi kerros pinnoitetta, jotta halutut korroosio-ominaisuudet oli mahdollista saavuttaa. Fe-12Cr-2Si pinnoitteen pintaan muodostui 950 °C lämpötilassa ohut, ulkoinen ja jatkuva kromioksidikalvo, jonka alle kromioksidin ja metallin väliin muodostui piitä sisältäviä oksidipartikkeleita. Pinnoitteen esioksidoinnilla ei havaittu olevan vaikutusta pinnoitteen korroosionkestoon KCl-kokeessa.

Description

Supervisor

Hänninen, Hannu

Thesis advisor

Ilola, Risto

Keywords

alumina, alumiinioksidi, aluminum oxide, piioksidi, silica, Kanthal A-1, silicon oxide, Fe-Cr-Al, Kanthal A-1, korkealämpötilaseokset, Fe-Cr-Al, korkealämpötila korroosio, high-temperature alloy, oksidikalvo, oxide scale

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859375

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG