Lanterna Rally

Author: Pimin Zhang

Publisher: Linköping University Electronic Press

Published: 2019-11-04

Total Pages: 61

ISBN-13: 9175190052

MCrAlY coatings (M=Ni and/or Co) are widely used for the protection of superalloy components against oxidation and hot corrosion in the hot sections of gas turbines. The drive for coating systems to bestow adequate oxidation and corrosion resistance upon the components becomes urgent as an inevitable result of the necessary improvement in engine combustion efficiency and service lifetime. Through the careful design of the composition, MCrAlY coating performance can be optimized to meet the needs under different service conditions and component materials, therefore, “MCrAlX”, with “X” stands for the minor alloying elements, is used to highlight the effect. In the present thesis, the performance of new MCrAlX coatings is investigated with respect to oxidation, hot corrosion and interactions between coating-superalloy substrates. Oxidation of MCrAlX coatings can be generally categorized into initial, steady and close-to-end stages. Coating performance can be affected by various factors at different stages, therefore, experiments were designed by targeting the oxidation stages. Investigation on the initial stage oxidation behavior of MCrAlY coatings with post-deposition surface treatments reveals the different growth mechanisms of alumina scales. Surface treatments significantly reduce the alumina growth rate by suppressing transient alumina development and aiding the early formation of ?-Al2O3, which improves the long-term oxidation performance of the coating. Similarly, the modification of minor alloy elements in MCrAlX coatings also serves the purpose. The oxidation behavior of new MCrAlX coatings was investigated at the steady oxidation stage, followed by the microstructure observation, thermodynamic and kinetic simulations. As an alternative reactive element addition of Y, Ce shows a negative effect on the formation of columnar alumina scales of high strain tolerance. In comparison, Fe or Ru addition shows no influence on alumina growth, rather than strengthening the phase stability in the coating and reducing the interdiffusion between coating-substrate through different mechanisms. As the oxidation proceeds to the close-to-end stage, a reliable criterion to estimate the capability of coating to form ?-Al2O3 is of great importance to accurately evaluate coating lifetime. A temperature-dependent critical Al-activity criterion was proposed to better predict the formation of a continuous ?-Al2O3 scale based on correction of elemental activity using thermodynamic database to replace the empirical Al-concentration based criterion. Severe interdiffusion occurs between coating-substrate during high temperature oxidation, accelerating the degradation of the system. Interdiffusion behavior of diffusion couples of superalloys-MCrAlX coatings were examined. It is highlighted that the recrystallization of superficial layer of the substrate contributes to the secondary reaction zone formation and element interdiffusion controls subsequent zone thickening. Study on Type I hot corrosion behavior of new MCrAlX coatings shows that the addition of Fe has no influence on basic fluxing reactions before severe Al depletion from the coating occurs. Instead, it boosts the “effective” Al supply of coating by shifting the equilibrium concentration of Al in the ? phase to a low Al level. Besides, the pre-mature coating degradation at the coating-substrate interface was due to the fast growth of corrosion products from substrate induced large local volume expansions, resulting in early coating spallation. MCrAlY ytbeläggningar (M=Ni och/eller Co) används ofta för att skydda komponenter tillverkade av superlegeringar mot oxidation samt högtemperaturskorrosion i de heta gasturbindelarna. Förbättrad förbränningseffektivitet och livslängd hos gasturbiner, gör att ytbeläggningssystemen måste besitta adekvata oxidations- och korrosionsmotstånd. Genom att omsorgsfullt utforma den kemiska sammansättningen hos MCrAlY ytbeläggningar kan deras prestanda optimeras för att möta kraven från olika driftförhållanden samt olika substratmaterial, därför används beteckningen "MCrAlX" för att belysa förändringar av den kemiska kompositionen, där "X" står för reaktiva legeringsämnen som tillsätts i mindre mängder. I denna avhandling undersöks prestandan hos en ny MCrAlX ytbeläggning med hänsyn till oxidation, högtemperaturskorrosion och interaktionen mellan ytbeläggningen och superlegeringssubstratet. Oxidation av MCrAlX ytbeläggningar kan generellt kategoriseras i tre faser; initiala, stabila och nära-slutet fasen. Ytbeläggningens prestanda kan påverkas av olika faktorer vid de olika faserna, därför utformades olika experiment för att undersöka de olika oxidationsfaserna. Undersökningen av den initiala fasen av oxidationsbeteendet hos MCrAlX ytbeläggningar som genomgått ytbehandlingar efter ytbeläggningsdeponeringen avslöjade olika tillväxtmekanismer hos aluminiumoxidskikten. Aluminiumoxidens tillväxthastighet reducerades signifikant av ytbehandlingarna, detta genom att undertrycka utvecklingen av övergående aluminiumoxid och bistå den tidiga tillväxten av ?-Al2O3, vilket förbättrar ytbeläggningens oxidationsprestanda långsiktigt. De reaktiva legeringsämnena som tillsätts i mindre mänger påverkar ytbeläggningens oxidationsprestanda på liknande sätt. Oxidationsbeteendet hos de nya MCrAlX ytbeläggningarna i den stabila fasen följdes av mikrostrukturundersökning, termodynamiska och kinetiska simuleringar. Det framkom att Ce visar en negativ effekt på bildandet av kolumnära aluminiumoxidskikt med hög töjningstolerans som alternativt reaktivt legeringsämne till Y. Jämförelsevis ger Fe- eller Ru-tillsatser ingen påverkan på aluminiumoxidtillväxten, förutom att det förstärker fasstabiliteten i ytbeläggningen samt genom olika mekanismer reducerar interdiffusionen mellan ytbeläggningen och substratet. När oxidationsprocessen kommit till nära-slutet fasen, är det viktigt att uppskatta kapaciteten hos en ytbeläggning att bilda ?-Al2O3, detta då det är ett tillförlitligt kriterium för att noggrant kunna utvärdera ytbeläggningens livslängd. Därför föreslogs ett temperaturberoende kriterium för kritisk Al-aktivitet för att bättre kunna förutsäga bildandet av ett kontinuerligt ?-Al2O3-skikt. Kriteriet baserades på korrigering av legeringsämnens aktivitet genom att använda en termodynamisk databas, detta för att ersätta det empiriska Al-koncentrations baserade kriteriet. Vid högtemperatursoxidation sker en omfattande interdiffusion mellan ytbeläggningen och substratet, vilket accelererar degraderingen av ytbeläggningssystemet. Därför har interdiffusionsbeteendet mellan superlegeringssubstratet och MCrAlX ytbeläggningen undersökts i denna avhandling. Det framkom att rekristallisationen av ytliga skikt av substratet bidrar till formationen av den sekundära reaktionszonen och att interdiffusion kontrollerar zonens efterföljande tjocklektillväxt. Undersökningen av Typ I högtemperaturskorrosionsbeteendet hos en ny MCrAlX ytbeläggning visar att legeringstillägg av Fe inte påverkar de grundläggande flödesreaktionerna innan en kritisk Al utarmning sker i ytbeläggningen. Istället stimulerar det tillförseln av Al genom att skifta jämviktskoncentrationen av Al i ? fasen till en låg nivå av Al. Det framkom också att den tidiga degraderingen av ytbeläggningen vid gränsskiktet mellan ytbeläggningen och substratet kommer av att den snabba tillväxten av korrosionsprodukter från substratet inducerade en stor lokal volymsutvidgning, vilket ledde till tidig ytbeläggningsspallation.