Yttriumoxid-Nanopartikel-modifizierte Diffusionsschichten und deren Oxidations-, Korrosions- und Verschleißverhalten

Titelangaben

Grimme, Christoph:
Yttriumoxid-Nanopartikel-modifizierte Diffusionsschichten und deren Oxidations-, Korrosions- und Verschleißverhalten.
Bayreuth , 2025 . - XVI, 148 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Turbinenschaufeln in stationären Gasturbinen bestehen meist aus Werkstoffen auf Nickelbasis, da diese sowohl hohe Kriech- und Ermüdungsfestigkeit als auch eine gute Resistenz gegenüber Hochtemperatur Oxidation und Korrosion aufweisen. Während der Verbrennung von Schweröl wird jedoch eine erhebliche Menge Vanadium als Vanadiumpentoxid (V₂O₅) in das Verbrennungsgas freigesetzt. Dieses reagiert mit der Atmosphäre und dem darin enthaltenen Natriumchlorid (NaCl) und Schwefeltrioxid (SO₃), wodurch hochkorrosive, geschmolzene Beläge auf den Turbinenschaufeln entstehen. Um die Lebensdauer der Komponenten zu erhöhen, werden bisher Inhibitoren im Treibstoff gelöst, die das entstehende V₂O₅ mit niedrigem Schmelzpunkt binden und eine Schmelzbildung der Aschen bei niedrigen Temperaturen verhindern. Dennoch führt dies zur Ablagerung von effizienzmindernden, dicken Schlacke-Schichten auf den Bauteilen, die in regelmäßigen Abständen entfernt werden müssen. In der vorliegenden Arbeit wurden Yttriumoxid (Y₂O₃) Inhibitoren in eine metallische Beschichtung eingebracht, um die korrosiven Aschen auf der Werkstoffoberfläche direkt zu inhibieren. Ziel war es, die Stillstandzeiten der Anlagen zur Entfernung der Schlacke-Schichten reduzieren zu können. Für die Schichtaufbringung wurden zwei kostengünstige Verfahren untersucht: das Schlickerverfahren und die galvanische Co-Abscheidung mit anschließender Packzementierung. Um die Einflüsse der Y₂O₃-Partikel als V₂O₅-Inhibitor in den Beschichtungen zu bestimmen, wurden Ni Al- und Ni-Cr-Al-Beschichtungen mit und ohne Y₂O₃-Partikel hinsichtlich der Mikrostruktur und Partikelverteilung untersucht. Weiterhin wurde die Verschleißbeständigkeit und das Oxidations- sowie das Vanadat-Korrosionsverhalten analysiert. Als Referenz wurde der Ni-Basis Werkstoff INCONEL® 617 (IN617) sowie IN617 mit Aluminiumdiffusionsschicht genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die galvanische Co-Abscheidung von Nickel zusammen mit Y₂O₃ geeignet ist, um Y₂O₃-Nanopartikel in eine Beschichtung mit hoher Dicke und hohem Partikelreservoir einzubringen. Die eingebrachten Y₂O₃ Nanopartikel wurden bevorzugt an den Korngrenzen der Beschichtung vorgefunden, wodurch sowohl eine Kornfeinung als auch eine reduzierte Einwärtsdiffusion während des Packzementierungsprozesses mit hoher Aktivität beobachtet werden konnte. Aufgrund der reduzierten Al-Diffusion in den Grundwerkstoff während der Hochtemperaturexposition wurde die β-NiAl Phase länger erhalten. Dies führte zu höheren Al-Reservoirs und einer signifikanten Verbesserung des Oxidationsverhaltens gegenüber dem Grundwerkstoff und den partikelfreien Beschichtungen. Zudem wurde die Korrosionsbeständigkeit erhöht, da sowohl die Einwärtsdiffusion korrosiver Spezies reduziert als auch ihre Inhibierung in Bereichen hoher Inhibitor-Konzentration erreicht wurde.

Abstract in weiterer Sprache

Turbine blades in stationary gas turbines primarily employ nickel-based materials due to their exceptional creep and fatigue strength, as well as their remarkable resistance to elevated temperatures, oxidation, and corrosion. However, the combustion of heavy fuel oils releases substantial quantities of vanadium as vanadium pentoxide (V₂O₅) into the combustion gas. Interacting with atmospheric components such as sodium chloride (NaCl) and sulfur trioxide (SO₃), vanadium triggers the formation of highly corrosive molten deposits on turbine blades, leading to severe degradation phenomena. To extend the operational lifespan of these components, a common approach has involved dissolving inhibitors into the fuel. These inhibitors bind with (V₂O₅) generated during combustion, preventing the formation of low-melting ashes. While this method raises the melting point of the ashes, thus reducing their corrosiveness, it necessitates the periodic removal of thick slag layers from the components. This study introduces a pioneering strategy, embedding inhibitors into a metallic coating. The developed dual-purpose coating serves to both, bind corrosive ash on material surfaces and curtail the need for additional fuel-based inhibitors. Consequently, the downtime required for slag layer removal from turbine surfaces is minimized. Two economically viable methods were explored for applying these coatings: slurry deposition and electrolytic co-deposition followed by subsequent pack cementation. To discern the impact of Yttria (Y₂O₃) particles on coatings, an investigation was carried out encompassing Ni-Al and Ni-Cr-Al coatings with and without Y₂O₃ particles. Parameters such as microstructure, particle distribution, wear resistance, oxidation behavior, and vanadate corrosion were meticulously analyzed. In this study, the reference materials included INCONEL® 617 (IN617) and IN617 with an aluminum diffusion layer. Within the realm of the two investigated cost-effective coating methods, galvanic co-deposition emerged as the sole suitable process for introducing particles into coatings. The incorporated Y₂O₃ nanoparticles displayed a propensity to occupy grain boundaries within coatings. This phenomenon led to a twofold effect: grain refinement and mitigated inward diffusion during high-activity pack cementation processes. Furthermore, due to reduced aluminum inward diffusion during high-temperature exposure, the β-NiAl phase was stabilized. This pivotal development contributed to a notable enhancement in oxidation behavior when juxtaposed with the base material and particle-free coatings, which could be attributed to the heightened aluminum reservoir. Moreover, the incorporation of particles resulted in reduced inward diffusion of corrosive species, which were also found to bind corrosive species in regions with elevated inhibitor concentrations. This aspect further bolstered the overall corrosion resistance.