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ESMA - Elektronenstrahl-Mikroanalyse

Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Silvia Richter
e-mail: richter@gfe.rwth-aachen.de
Telefon: +49-241-80-24348


Anwendung

Chemische Gefügeanalyse zur Klärung des Korrosionsmechanismus an einem Flammenrohr
aus einer Nickelbasislegierung Ni-29Cr-4.5Fe-3.3Al (-Ti-Mn)



Abb.1
Abb.1:
Rückstreuelektronenbild:
Gefüge einer Nickelbasislegierung
nach Einsatz in einer Feuerungsanlage

Der hier untersuchte Werkstoff wurde in einer Feuerungsanlage eingesetzt. Bei der Verbrennung entstehen am sogenannten Flammenrohr Temperaturen von bis zu 1000°C, so dass Hochtemperaturlegierungen, wie z.B. Ni-Basislegierungen, als Werkstoff eingesetzt werden.

Nach einem Einsatz von 1000h traten die in Abb.1 sichtbaren Korrosionserscheinungen auf. Zusätzlich wurde eine extrem hohe Versprödung des Materials festgestellt.

Der helle Bereich ist die zu Präparationszwecken verwendete Vernickelungsschicht, an der sich die dunkle stark zerklüftete Oxidationszone anschließt. Diese geht nach ca. 100 µm über in das von Nitriden durchsetzte Stahlgefüge.



Elementverteilungsbilder

Abb.2:
Elementverteilungsbilder O, Cr, Al und Ti für den in Abb.1 dargestellten Gefügebereich

Zur Klärung der Ursachen für die Korrosion und Versprödung wurden Elementverteilungsbilder für die Elemente Sauerstoff, Chrom, Aluminium und Titan aufgenommen (Abb.2). Die nadelförmigen Al-reichen Ausscheidungen in größeren Tiefen sind AlN, wie zusätzlich quantitative Analysen bestätigt haben . Umgeben sind diese von Cr-Nitriden. Komplett durchsetzt ist das Stahlgefüge mit 2-3 µm großen Ausscheidungen aus TiN. Die Aufstickung und die Nitridbildung sind somit Ursachen der Versprödung des Werkstoffes. Der Chromgehalt der Stahlmatrix fällt auf einen Wert von bis zu 5% ab, so dass der Stahl seine Oxidationsbeständigkeit verliert. Mit Hilfe der Verteilungsbilder Sauerstoff, Chrom und Aluminium läßt sich auch der Ablauf der Oxidation rekonstruieren: An der Oxidationsfront bildet sich Chromoxid. Auf den Korngrenzen liegen bevorzugt die Al-Oxide, d.h. der Sauerstoff diffundiert über die Korngrenzen in das Gefüge und führt zu einer Al-Oxidation. Durch die starke oberflächennahe Chromverarmung ist die Oxidschicht zersetzt mit Mischoxiden.

Fazit der Untersuchung ist, daß die hochgradige Aufstickung des Stahles Ursache für das Versagen der Legierung ist, da neben einer Versprödung und Korrosion des Materials auch starke Formänderungen aufgrund der Volumenänderung durch die Nitridbildung auftreten.

 

In Zusammenarbeit mit dem
Institut für Energie- und Stofftransport (EST)