DE10116762C1 - Aluminum-titanium diffusion layers, used for improving corrosion resistance of metallic materials used in refinery for gasifying coal, petroleum coke or other residual materials, are produced by co-diffusion - Google Patents
Aluminum-titanium diffusion layers, used for improving corrosion resistance of metallic materials used in refinery for gasifying coal, petroleum coke or other residual materials, are produced by co-diffusionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Diffusionsschichten mit hohen Gehalten an Aluminium und Titan und deren Verwendung als Korrosionsschutz für metallische Werkstoffe in reduzierenden, sulfidierenden Umgebungen mit hohen Kohlenstoffaktivitäten bei Temperaturen bis mindestens 700°C.The invention relates to the production of diffusion layers with high Contained in aluminum and titanium and their use as corrosion protection for metallic materials in reducing, sulfidizing environments with high carbon activities at temperatures up to at least 700 ° C.
In verschiedenen industriellen Prozessen im Bereich der Raffinerietech nik, der Energieerzeugung durch Vergasung von Kohle und Petrolkoks oder anderen Reststoffen, der thermischen (Sonder-)Abfallentsorgung und der Aufarbeitung von Raffinerierückständen können stark reduzierende, sulfi dierende Atmosphären auftreten, die zu einer hohen Korrosionsbelastung für metallische Materialien führen (K. Natesan: Corrosion-Nace Vol. 41, No. 11 (1985) 646-655; B. Glaser, M. Schütze, F. Vollhardt: Werkstoffe und Korrosion 42 (1991) 374-376). Herkömmliche Apparatebauwerkstoffe können in diesen Umgebungen bei hohen Temperaturen nicht eingesetzt werden, da sie nicht mehr in der Lage sind, stabile schützende Oxidschichten aufzu bauen, auf deren Ausbildung der Korrosionsschutzmechanismus dieser Werk stoffe beruht. Dies gilt auch für hochlegierte Sonderwerkstoffe, die langsam wachsende Al- und/oder Si-Oxidschichten bilden, da die zulässige Menge dieser Legierungselemente aus mechanischen Gründen auf wenige Pro zent beschränkt ist, was in genannten Atmosphären nicht ausreicht, um dichte Oxidschichten dauerhaft unter Gewährung eines hinreichenden Riß ausheilungspotentials auszubilden.In various industrial processes in the field of refinery technology nik, the generation of energy by gasification of coal and petroleum coke or other residues, thermal (special) waste disposal and Processing refinery residues can be strongly reducing sulfi dying atmospheres occur that lead to a high corrosion load for metallic materials (K. Natesan: Corrosion-Nace Vol. 41, No. 11 (1985) 646-655; B. Glaser, M. Schütze, F. Vollhardt: Materials and Corrosion 42 (1991) 374-376). Conventional apparatus building materials can not be used in these environments at high temperatures because they are no longer able to apply stable protective oxide layers build the corrosion protection mechanism of this plant fabrics based. This also applies to high-alloy special materials that form slowly growing Al and / or Si oxide layers, as the permissible Quantity of these alloying elements for a few per mechanical reasons is limited, which is not sufficient in such atmospheres to dense oxide layers permanently with a sufficient crack to develop healing potential.
Bei sehr hohen Schwefelpartialdrücken in reduzierenden Umgebungen mit entsprechend niedrigen Sauerstoffpartialdrücken kommt es unweigerlich auch zu einer Sulfidbildung, so daß nur Werkstoffe eingesetzt werden kön nen, die neben langsam wachsenden Oxiden auch Sulfide mit niedrigen Wach stumsraten ausbilden.With very high sulfur partial pressures in reducing environments with correspondingly low oxygen partial pressures inevitably occur also to sulfide formation, so that only materials can be used besides slow-growing oxides, sulfides with low wakefulness train rate rates.
Die intermetallische Phase TiAl hat sich unter reduzierenden, sulfidie renden Bedingungen bei Schwefelpartialdrücken von ≧ 10-6 bar und Sauer stoffpartialdrücken von ≦ 10-25 bar bei Temperaturen von 700°C als bestän dig erwiesen (M. Schütze, M. Nöth: 13th ICC, Paper 296, Melbourne Nov. 1996, ACA Inc.) und wurde für diese Verwendung als Europäisches Patent registriert (EP 0 716 154 B1). Die Antragsteller applizierten TiAl als ther misch gespritzte Schicht auf ferritische Apparatebaustähle als Korrosi onsschutzschicht. Die fast übereinstimmenden Wärmeausdehnungskoeffizien ten von TiAl und den ferritischen Substraten führten dazu, daß die Schichten auch bei thermozyklischen Beanspruchungen frei von Rissen und Abplatzungen blieben (M. Schütze, T. Weber, EUROCORR'99, EFC Event No. 227, G. Schmitt, M. Schütze (eds.), Dechema e.V., 1999). Auf austeniti schen Werkstoffen ist jedoch aufgrund ihrer hohen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten der Einsatz von thermisch gespritzten TiAl-Schichten nicht möglich.The intermetallic phase TiAl has proven to be stable under reducing, sulfidizing conditions at sulfur partial pressures of ≧ 10 -6 bar and oxygen partial pressures of ≦ 10 -25 bar at temperatures of 700 ° C (M. Schütze, M. Nöth: 13 th ICC, Paper 296, Melbourne Nov. 1996, ACA Inc.) and was registered for this use as a European patent (EP 0 716 154 B1). The applicants applied TiAl as a thermally sprayed layer on ferritic apparatus structural steels as a protective layer against corrosion. The almost identical coefficients of thermal expansion of TiAl and the ferritic substrates meant that the layers remained free of cracks and flaking even under thermocyclic loads (M. Schütze, T. Weber, EUROCORR'99, EFC Event No. 227, G. Schmitt, M. Schütze (eds.), Dechema eV, 1999). However, the use of thermally sprayed TiAl layers is not possible on austenitic materials due to their high thermal expansion coefficients.
Hier greift die Erfindung, die eine gleichzeitige Eindiffusion von Al und Ti in einem Pulverpackprozeß vorsieht. Hierbei wird jedoch keine TiAl- Legierung eingesetzt wie in DE 15 21 269 beansprucht, sondern die reinen Elemente Al und Ti werden gleichzeitig einem Diffusionsprozeß unterwor fen. Ebenso wird auf dem Substratwerkstoff keine TiAl-Legierung erzeugt, sondern es bilden sich abhängig von der Zusammensetzung des Substrats Mischphasen aus Al, Cr, Fe, Ni und Ti aus. Als Aktivator kann NH4Cl ver wendet werden, wobei auch der Einsatz von anderen Ammoniumhalogeniden oder eine Mischung aus mehreren Ammoniumhalogeniden oder Al- und Ti- Halogeniden möglich ist. Mithilfe von thermodynamischen Berechnungen wer den die Mengenverhältnisse innerhalb der Diffusionspulvermischung so ein gestellt, daß die Dampfdrücke der entstehenden gasförmigen Al- und Ti- Halogenide bei den fraglichen Diffusionstemperaturen von etwa 950-1050°C in einer optimalen Größenordnung vorliegen.This is where the invention comes into play, which provides for simultaneous diffusion of Al and Ti in a powder packing process. Here, however, no TiAl alloy is used as claimed in DE 15 21 269, but the pure elements Al and Ti are simultaneously subjected to a diffusion process. Likewise, no TiAl alloy is produced on the substrate material, but mixed phases of Al, Cr, Fe, Ni and Ti are formed depending on the composition of the substrate. NH 4 Cl can be used as an activator, but the use of other ammonium halides or a mixture of several ammonium halides or Al and Ti halides is also possible. With the help of thermodynamic calculations, the proportions within the diffusion powder mixture are set in such a way that the vapor pressures of the resulting gaseous Al and Ti halides are at an optimal order of magnitude at the diffusion temperatures of about 950-1050 ° C in question.
Sinngemäß können anstelle des Pulverpackverfahrens auch andere Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) verwendet werden (over pack, out of pack, etc.), die aus der Literatur bekannt sind (C. Duret, R. Pi choir: Coatings for High Temperature Application, E. Lang (ed.), 33-78, Applied Science Publishers, London & New York, 1983).Other processes can also be used instead of the powder packing process chemical vapor deposition (CVD) can be used (over pack, out of pack, etc.), which are known from the literature (C. Duret, R. Pi choir: Coatings for High Temperature Application, E. Lang (ed.), 33-78, Applied Science Publishers, London & New York, 1983).
Ebenso ist der Einsatz eines Verfahrens der physikalischen Gasphasenab scheidung (PUD) denkbar (D. G. Teer: Coatings for High Temperature Appli cation, E. Lang (ed.), 78-120, Applied Science Publishers, London & New York, 1983).Likewise, the use of a physical gas phase method divorce (PUD) conceivable (D.G. Tar: Coatings for High Temperature Appli cation, E. Lang (ed.), 78-120, Applied Science Publishers, London & New York, 1983).
Die Al-Ti-Diffusionsschichten wurden in einem Pulverpackdiffusionsprozeß im Kodiffusionsverfahren hergestellt, wobei Al-Pulver mit Ti-Pulver und NH4Cl-Pulver als Aktivator im Verhältnis 1 : (2-4) : (1-3) in Gewichtsantei len gemischt wurden. Als inertes Füllmaterial wurde Al2O3-Pulver mit einem Gesamtanteil von 75-90% (gew.) eingesetzt. Bei Glühtemperaturen von 900-1050°C in einer reduzierenden Atmosphäre (Ar-10% H2) wurden nach 10 h Diffusionsschichten von 30-40 µm Dicke auf Substraten aus dem Stahl Wst. Nr. 1.4876 erreicht.The Al-Ti diffusion layers were produced in a powder pack diffusion process in the codiffusion process, wherein Al powder was mixed with Ti powder and NH 4 Cl powder as activator in a ratio of 1: (2-4): (1-3) in parts by weight , Al 2 O 3 powder with a total content of 75-90% (wt.) Was used as the inert filler. At annealing temperatures of 900-1050 ° C in a reducing atmosphere (Ar-10% H 2 ) after 10 h diffusion layers of 30-40 µm thickness were achieved on substrates made of steel No. 1.4876.
Der typische Aufbau und die Zusammensetzung einer Diffusionschicht sind in Elementverteilungsbildern in Abb. 1 und in einem Linescan in Abb. 2 gezeigt. Am oberen Rand der Diffusionsschicht liegt eine Al-, Ti-, Cr- und Fe-reiche Zone vor, gefolgt von einem mit Ni-Al-Phasen angereicherten Gebiet, das mit einer Ti-Karbidschicht abschließt. Darunter befindet sich ein Bereich mit Ni-Al-Ausscheidungen innerhalb einer Fe- und Cr-reichen Phase.The typical structure and composition of a diffusion layer are shown in element distribution images in Fig. 1 and in a linescan in Fig. 2. At the upper edge of the diffusion layer there is an Al, Ti, Cr and Fe-rich zone, followed by an area enriched with Ni-Al phases, which ends with a Ti carbide layer. Below that is an area with Ni-Al precipitates within a phase rich in Fe and Cr.
Diese Schicht wurde unter reduzierenden, aufkohlend sulfidierenden Bedin gungen bei Temperaturen von 700°C getestet. In der verwendeten Testatmo sphäre war CH4, CO, CO2, H2 und H2S enthalten, wobei sich bei 700°C ein Schwefelpartialdruck von 10-6 bar, ein Sauerstoffpartialdruck von 10-25 bar und eine theoretische Kohlenstoffaktivität von 270 ergaben. Hierbei konn te eine eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit erzielt werden. Auch nach 800 h Prüfdauer war nur eine 10-15 µm dicke rißfreie und gut haftende Deckschicht aus Oxiden und Sulfiden vorhanden. Elementverteilungsbilder im Querschliff und ein Linescan werden in Abb. 3 und Abb. 4 dargestellt. Außen sind Fe-Sulfide gewachsen, die jedoch keine durchgehende Schicht bilden. Unterhalb folgt eine lagige Struktur aus durchgehenden Ti- über Al-Oxidbändern, an die ein dünnes Al-Sulfid- und vermutlich ein Ti- Karbidband anschließt, was auf eine nur in geringem Maß ablaufende Ein wärtsdiffusion von S und C hinweist. Diese Struktur kann einen wirksamen Korrosionsschutz bieten, was auch an den Fe-Sulfiden ersichtlich ist, die ein sehr langsames Wachstum aufweisen, woraus auf eine stark verminderte Fe-Auswärtsdiffusion geschlossen werden kann. This layer was tested under reducing, carburizing sulfidizing conditions at temperatures of 700 ° C. CH 4 , CO, CO 2 , H 2 and H 2 S were contained in the test atmosphere used, a sulfur partial pressure of 10 -6 bar, an oxygen partial pressure of 10 -25 bar and a theoretical carbon activity of 270 being found at 700 ° C , A very good corrosion resistance could be achieved. Even after a test period of 800 hours, there was only a 10-15 µm thick crack-free and well-adhering top layer made of oxides and sulfides. Cross-section element distribution images and a linescan are shown in Fig. 3 and Fig. 4. Fe sulfides have grown on the outside, but they do not form a continuous layer. Below is a layered structure consisting of continuous Ti- over Al-oxide bands, to which a thin Al-sulfide and presumably a Ti-carbide band is connected, which indicates an only minimal degree of inward diffusion of S and C. This structure can offer effective corrosion protection, which is also evident from the Fe sulfides, which have a very slow growth, from which a greatly reduced Fe outward diffusion can be concluded.
Darüber hinaus besitzt die Al-Ti-Diffusionsschicht eine relativ geringe Sprödigkeit, wodurch Rißbildung und Schichtabplatzungen weitestgehend vermieden werden können. Zusätzlich ist noch ein gutes Rißausheilungsver mögen durch schnell wachsende Ti-Oxide gegeben.In addition, the Al-Ti diffusion layer has a relatively small Brittleness, as a result of which cracks and flaking of the layer largely can be avoided. In addition, there is a good crack healing agent like given by fast growing Ti oxides.
Entsprechend gering fielen auch die relativen Massenzunahmen aus, die einen parabolischen Verlauf zeigten. Für die Wachstumskonstante wurde ein Wert von kp = 2,4 × 10-13 g2cm-4s-1 errechnet. Ein Verlauf der relativen Massen zunahmen ist in Abb. 5 im Vergleich zu einer reinen Al-Diffusionsschicht gezeigt. Al-Diffusionsschichten sind in solchen Umgebungen nur noch be dingt beständig, da sie eine hohe Sprödigkeit aufweisen und ein bei die sen Temperaturen nicht ausreichendes Rißausheilungspotential bieten.The relative increases in mass, which showed a parabolic course, were correspondingly small. A value of k p = 2.4 × 10 -13 g 2 cm -4 s -1 was calculated for the growth constant. A course of the relative mass increases is shown in Fig. 5 compared to a pure Al diffusion layer. Al diffusion layers are only partially resistant in such environments because they are highly brittle and do not offer sufficient crack healing potential at these temperatures.
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