Gruppe Gas Korrosion
Leitung: Dr. Chongchong Tang
Die Oxidation durch heiße Gase stellt verschiedenste Industrien vor Herausforderungen angesichts Materialverlusten, Bauteilversagen sowie den damit verbundenen wirtschaftlichen Verlusten. Die Steigerung der Effizienz von Gas-Prozessen durch eine weitere Erhöhung der Betriebstemperatur wird die Situation wahrscheinlich noch verschärfen. Dadurch ergibt sich ein Bedarf an neuen Werkstoffen mit überlegener Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit, von denen, neben der chemischen Industrie und der thermischen Energieumwandlung, auch die Luft- und Raumfahrt profitieren kann.
Mit ihren Arbeiten möchte die Gruppe Gaskorrosion einer nächsten, sich durch besondere Hochtemperaturfestigkeit, Duktilität und Oxidationsbeständigkeit auszeichnenden Generation von metallischen Werkstoffen und Werkstoffverbunden den Weg ebnen. Unser Ansatz ist dabei ein Legierungsdesign mittels CALPHAD-basierter thermodynamischer Modellierung, einschließlich der Erweiterung dazu erforderlicher Datenbanken, und deren experimentelle Validierung. Die Oxidationsbeständigkeit bei 1000 °C und mehr wird in Tests mit verschiedenen Gasen nachgewiesen.
Unter anderem beschäftigen wir uns derzeit mit komplex zusammengesetzten Legierungen (CCA) von Refraktärmetallen, insbesondere solchen, die Oxide auf der Basis von CrTaO4 bilden. Unser Ziel ist es auch, dieses Oxid für andere Legierungssysteme zu etablieren als Alternative zu den klassischen schützenden Oxiden.
Obwohl für die Industrie relevanter, technologischer Fortschritt unser Hauptanliegen ist, wollen wir auch Beiträge zu den Grundlagen der Hochtemperaturoxidation leisten, durch Demonstration der Anwendbarkeit gängiger Theorien sowie deren Erweiterung oder Revidierung anhand neuer Erkenntnis.
Thermodynamische Modellierung
Die Auswahl von Hochtemperaturwerkstoffen für Anwendungen in korrosiven Umgebungen erfordert eine sorgfältige Abwägung verschiedener Faktoren, wobei der Schwerpunkt auf einem ausgewogenen Verhältnis zwischen mechanischer Leistung und Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit liegt. Dieses Forschungsthema konzentriert sich auf die Anwendung thermodynamischer Modellierungsverfahren zur Entwicklung von Hochtemperaturlegierungen durch Vorhersage der Phasenbildung, des Phasenübergangs und der mikrostrukturellen Entwicklung über verschiedene Zusammensetzungen und Temperaturbereiche. Diese Vorhersagefähigkeit ermöglicht die Entwicklung neuartiger Legierungszusammensetzungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und höherer Beständigkeit gegen Gaskorrosion für Hochtemperaturanwendungen.
Entwicklung thermodynamischer Datenbanken
Die thermodynamische Datenbank ist ein wichtiges Instrument zur Vorhersage der Phasen- und Gefügeausbildung in Legierungssystemen. In diesem Zusammenhang werden thermodynamische Datenbanken entwickelt und/oder optimiert, wie z.B. das Ta-Mo-Nb-Cr-Ti-Al CCAs-System und das Mo-Si-B-V-System.
Optimierung der Legierungszusammensetzung
Die Legierungszusammensetzung wird sorgfältig angepasst, um die gewünschten Phasenzusammensetzung zu erreichen, wie z. B. die Vermeidung von spröden Phasen (B2, intermetallisch usw.) als Matrix in CCAs. Außerdem wird die Konzentration von Elementen maximiert, die die Bildung von schützendem Oxidschichten fördern, z. B. Cr, Al und Si.
Korrosionsmechanismen und -kinetik in verschiedenen Gasen
Dieses Forschungsthema zielt darauf ab, die Korrosionsmechanismen und -kinetik von Werkstoffen aufzuklären, die verschiedenen Gasen wie Luft, Sauerstoff, Dampf und wasserstoffhaltigen Gasen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Thermogravimetrische Analysen (TGA) werden durchgeführt, um die Massenänderungen der Proben während der Oxidation zu ermitteln, was wertvolle Einblicke in das Korrosionsverhalten und die Kinetik der Werkstoffe unter bestimmten Umweltbedingungen erlaubt. Isotherme und zyklische Oxidationstests werden durchgeführt, um wichtige Kennwerte für die Bewertung der langfristigen Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Materialien in praktischen Anwendungen zu erhalten. Darüber hinaus werden Morphologie und Mikrostruktur korrodierter Werkstoffe mit Hilfe fortschrittlicher Spektroskopie- und Mikroskopietechniken (XRD, SEM, TEM usw.) charakterisiert. Diese Analysen helfen bei der Identifizierung von Korrosionsprodukten und -mechanismen und tragen zu einem umfassenden Verständnis der Materialdegradation unter Hochtemperaturbedingungen bei.
Jüngste Legierungsentwicklungen zeigen, dass das Wachstum einer schützenden und kompakten komplexen CrTaO4-Oxidschicht auf einigen feuerfesten CCAs wie TaMoCrTiAl eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit ermöglicht, wobei die Oxidationskinetik bei hohen Temperaturen geringer ist als die einer Cr2O3-Schicht.
Strategien zur Steigerung der Korrosionsresistenz
Dieses Forschungsthema konzentriert sich auf die Analyse der korrosionsbedingten Materialdegradation und die Entwicklung wirksamer Strategien, um die Lebensdauer von Komponenten und Strukturen bei hohen Temperaturen zu verlängern. Durch die Integration von Erkenntnissen aus Studien zu Korrosionsmechanismen und -kinetik wollen wir die wichtigsten korrosionsbedingten Versagensarten und proaktive Schutzansätze identifizieren, um die Korrosionsbeständigkeit neu entwickelter Legierungen weiter zu verbessern.
Beispiele für Korrosionsschutzstrategien für TaMoCrTiAl-CCAs sind die Dotierung mit Silizium oder hochvalenten Elementen wie Wolfram (W) und Rhenium (Re), um die Sauerstoffleerstellendichte in der CrTaO4-Schicht zu reduzieren, was nicht nur die Wachstumsrate der Oxidschicht, sondern auch das Ausmaß der internen Oxidation verringert. Darüber hinaus wurde die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) eingesetzt, um korrosionsbeständigere Beschichtungen auf verschiedenen Legierungssystemen aufzubringen.
Ansprechpartner
Dr. Chongchong Tang
Abteilung Gaskorrosion
+49 721 608 28543
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