Untersuchung der Langzeitoxidationsbeständigkeit moderner 9% Cr-Stähle für den Hochtemperaturanlagen- und -apparatebau

In neuerer Zeit haben weltweit beträchtliche Entwicklungsarbeiten zur Optimierung der ferritisch-martensitischen 9% Cr-Stähle stattgefunden. Bezüglich der Oxidations- bzw. Korrosionsbeständigkeit dieser Werkstoffe liegt allerdings bisher nur eine sehr begrenzte Zahl von Erkenntnissen vor, insbesondere wenn es sich um die Langzeitoxidationsbeständigkeit handelt. Im einzelnen bestehen unter dem Blickwinkel des Oxidationsverhaltens Defizite in den Kenntnissen zum quantitativen Einfluß von Wasserdampf in der Prozeßumgebung, zur Rolle von Silizium und Wolfram als Legierungselemente in diesen Werkstoffen und zu den Mechanismen des Breakaway-Effekts. Im Zusammenhang mit letzterem werden in neuester Zeit auch Mikroschädigungsvorgänge in den Oxidschichten durch Wachstumsspannungen diskutiert. Anlaß für den vorliegenden Forschungsantrag ist, daß ein dringender Bedarf nach Klärung dieser offenen Fragen besteht, um das Potential dieser Werkstoffgruppe auch oxidationsseitig ausschöpfen zu können und bestehende Unsicherheiten zum Langzeitoxidationsverhalten dieser Werkstoffe abzubauen. Wichtigstes Ziel des Vorhabens ist es, die entscheidenden Mechanismen bezüglich des Wasserdampfeinflusses, der Rolle der Legierungselemente Silizium und Wolfram sowie des Breakaway-Effektes aufzuklären und damit einen signifikanten Beitrag zur Beseitigung bestehender Unsicherheiten im Hinblick auf die Langzeitoxidationsbeständigkeit zu liefern. Hierzu werden Oxidationsversuche bei 600 und 650 °C an Luft mit Wasserdampfgehalten von 0, 4 und 10 Vol.% mit Oxidationszeiten bis zu 10000 h durchgeführt. Die Versuche werden sowohl isotherm als auch thermozyklisch gefahren. Die Versuchswerkstoffe sind die modernen 9% Cr-Stähle P91, E911 sowie Si-modifizierte Varianten der Legierung Nf616 (Tabelle). Erfaßt werden die oxidationsbedingte Massenänderung während der Versuche sowie die Struktur und Zusammensetzung der Oxidschichten und der Metallrandzone in quantitativen metallkundlichen Begleituntersuchungen (Metallographie, Mikrosonde, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie) jeweils als Funktion der Oxidationszeit und des Wasserdampfgehalts in der Umgebung. Neben der quantitativen Beschreibung des Verlaufs der Chromverarmung in der Metallrandzone sind in-situ Röntgenmessungen bei Oxidationstemperatur zum Aufbau von Deckschichtwachstumsspannungen sowie Schallemissionsmessungen zu potentiellen Spannungsabbauvorgängen über Mikrorißbildung in den Schichten vorgesehen.

Das IGF-Vorhaben Nr. 11581 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.