DE102004052104B3 - Pre-oxidation of articles made from aluminum alloys comprises heating to form stable alpha-aluminum coating in atmosphere comprising e.g. water vapor with specified free oxygen content - Google Patents

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Abstract

Method for pre-oxidation of articles made from aluminum alloys or with an aluminum-containing coating comprises heating them above 1,050[deg]C to form a stable alpha-aluminum coating. An oxygen-poor atmosphere is used which at room temperature comprises either: (A) water vapor with a free oxygen content below 100 ppm; (B) a mixture of water vapor and hydrogen with a free oxygen content below that of hydrogen; or (C) a mixture of carbon dioxide and carbon monoxide with a free oxygen content below that of carbon monoxide.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Komponenten umfassend aluminiumhaltige Legierungen und/oder aluminiumhaltige Schutzschichten, die die Bildung von metastabilen Oxidschichten verringert, bzw. unterdrückt.The The invention relates to a method for the treatment of components comprising aluminum-containing alloys and / or aluminum-containing Protective layers, which is the formation of metastable oxide layers reduced or suppressed.

Legierungen auf der Basis Fe-Al, Ni-Al, Ni-Cr-Al oder Fe-Cr-Al zeichnen sich durch eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit bis zu sehr hohen Einsatztemperaturen von ca. 1400 °C aus. Die Oxidationsresistenz beruht auf der Bildung einer dichten und langsam wachsenden Aluminiumoxidschicht, die sich bei Hochtemperatureinsatz auf den Werkstoffoberflächen bildet. Diese schützende Deckschicht, die auf einer selektiven Oxidation des Legierungselementes Aluminium beruht, tritt nur dann auf, wenn der Aluminiumgehalt in der Legierung ausreichend hoch ist, z. B. mindestens etwa 8 Mass.-% in Fe-Al- oder Ni-Al-Legierungen und etwa 3 Mass.-% in Fe-Cr-Al- oder Ni-Cr-Al-Legierungen.alloys based on Fe-Al, Ni-Al, Ni-Cr-Al or Fe-Cr-Al are characterized by an excellent oxidation resistance up to very high operating temperatures of about 1400 ° C. The Oxidation resistance is due to the formation of a dense and slow growing alumina layer, resulting in high temperature use on the material surfaces forms. This protective Topcoat based on a selective oxidation of the alloying element Aluminum occurs, occurs only if the aluminum content in the alloy is sufficiently high, z. B. at least about 8 mass% in Fe-Al or Ni-Al alloys and about 3 mass% in Fe-Cr-Al or Ni-Cr-Al alloys.

Durch die Bildung der Deckschicht auf Aluminimoxidbasis wird das in der Legierung vorhandene Legierungselement Aluminium verbraucht. Der Verbrauch pro Zeiteinheit ist proportional zur Oxidwachstumsrate und nimmt daher mit steigender Temperatur zu da die Oxidwachstumsrate (k in cm2 pro Sekunde) mit steigender Temperatur zunimmt. Das insgesamt in einer betreffenden Komponente vorhandene Aluminiumreservoir nimmt proportional zur Komponentenwandstärke zu. Bei einer Schicht oder Folie als Komponente entspricht die Stärke typischerweise der Schichtdicke, bei einem Draht als Komponente beispielsweise dem Durchmesser.The formation of the alumina-based capping layer consumes the alloying element aluminum present in the alloy. The consumption per unit time is proportional to the oxide growth rate and therefore increases with increasing temperature because the oxide growth rate (k in cm 2 per second) increases with increasing temperature. The overall existing in a respective component aluminum reservoir increases in proportion to the component wall thickness. In the case of a layer or film as a component, the thickness typically corresponds to the layer thickness, for a wire as a component, for example, to the diameter.

Wird während eines Langzeiteinsatzes der aluminiumhaltigen Komponente durch die Bildung der Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche der Alumiumgehalt so weit reduziert, dass eine kritische Aluminiumkonzentration unterschritten wird, so kann sich keine weitere schützende Aluminiumoxidschicht mehr ausbilden. Dies führt zu einer sehr schnellen und sogenannten „Breakaway Oxidation", bei der die Hauptlegierungselemente Chrom, Nickel und Eisen oxidieren. Da diese Elemente schlecht-schützende Oxide bilden entspricht der Zeitpunkt, bei der „Breakaway Oxidation" auftritt, auch regelmäßig dem Lebensdauerende der Komponente.Becomes while a long-term use of the aluminum-containing component by the Formation of the aluminum oxide layer on the surface of the aluminum content so far reduced that a critical aluminum concentration fell below so there can be no more protective aluminum oxide layer train more. this leads to to a very fast and so-called "breakaway oxidation", in which the main alloying elements Chromium, nickel and iron oxidize. Because these elements are bad-protective oxides form the time at which "breakaway oxidation" occurs, also regularly the End of life of the component.

Aus dem vorgenanntem geht hervor, dass die Lebensdauer mit zunehmender Oxidwachstumsrate und abnehmender Komponentenwandstärke abnimmt.Out the above shows that the life with increasing Oxide growth rate and decreasing component wall thickness decreases.

Aus der Literatur sind einige Beispiele für typische Zeiten (tB) bis zum Lebensdauerende von Komponenten aus FeCrAl-Legierungen (kommerzielle Bezeichnungen z. B. KANHAL AF oder ALUCHROM YHF) als Funktion von Temperatur und Wandstärke bekannt. Beispielsweise – für 1 mm Wandstärke bei 1200°C, etwa 10000 h, – für 0,05 mm Wandstärke bei 1100°C etwa 700 h, – für 0,05 mm Wandstärke bei 1200°C etwa 80 h. Some examples of typical times (t B ) to end of life of components of FeCrAl alloys (commercial designations eg KANHAL AF or ALUCHROM YHF) as a function of temperature and wall thickness are known from the literature. For example - for 1 mm wall thickness at 1200 ° C, about 10,000 h, - for 0.05 mm wall thickness at 1100 ° C about 700 h, - for 0.05 mm wall thickness at 1200 ° C about 80 h.

Aus theoretischen Überlegungen lässt sich ableiten, dass die Lebensdauer bei einer Temperaturerhöhung von 100 °C etwa um den Faktor 10 abnimmt. Die Temperaturabhängigkeit von tB ergibt sich dabei aus der bekannten Temperaturabhängigkeit der Oxidwachstumsrate k. Diese ist wie folgt definiert: k = ko e–Q/RT (Gl.1)mit Q = Aktivierungsenergie für Diffusionsvorgänge in der Oxidschicht, T = Temperatur und R = allgemeine Gaskonstante.From theoretical considerations, it can be deduced that the lifetime decreases by a factor of about 10 with a temperature increase of 100 ° C. The temperature dependence of t B results from the known temperature dependence of the oxide growth rate k. This is defined as follows: k = k O e -Q / RT (Equation 1) with Q = activation energy for diffusion processes in the oxide layer, T = temperature and R = general gas constant.

Die Abhängigkeit der Zeit bis zum Lebensdauerende (tB) von der Komponentenwandstärke (d) ergibt sich für die meisten Anwendungsfälle näherungsweise wie folgt: tB proportional zu d3. (Gl. 2) The dependence of the time to the end of life (t B ) of the component wall thickness (d) is approximately the following for most applications: t B proportional to d 3 , (Equation 2)

Hierdurch wird deutlich, dass die Zeit bis zum Lebensdauerende sehr stark reduziert wird durch eine Verringerung der Komponentenwandstärke. Für sehr dünnwandige Komponenten aus vorgenannten Legierungen wie sie beispielsweise in Trägermaterialien von PKW-Katalysatoren (typische Foliendicken 0,02 bis 0,1 mm), in faserbasierten Gasbrennern oder Filtern (typische Faserdurchmesser 0,015 bis 0,1 mm) vorliegen, sind daher die in der Praxis geforderten Betriebszeiten von einigen Tausend Stunden nur dann erreichbar, wenn die Betriebstemperaturen um 900 °C, das heißt relativ niedrig gehalten werden. Analoges gilt für sehr dünne Beschichtungen auf Basis von FeCrAl oder Ni(Co)CrAl.This makes it clear that the time to end of life is greatly reduced by a reduction in the component wall thickness. For very thin-walled components of the abovementioned alloys, as present, for example, in support materials of passenger vehicle catalysts (typical film thicknesses 0.02 to 0.1 mm), in fiber-based gas burners or filters (typical fiber diameter 0.015 to 0.1 mm), Therefore, the required operating times of a few thousand hours can only be achieved if the operating temperatures of 900 ° C, that is kept relatively low. The same applies to very thin coatings based on FeCrAl or Ni (Co) CrAl.

In diesem Temperaturbereich, insbesondere zwischen 750 und 950 °C, zeigt die Wachstumsrate (k) der Oxidschicht jedoch nachteilig eine deutliche Abweichung von der vorgenannten Temperaturabhängigkeit. Diese Abweichung tritt insbesondere in dem Anfangsstadium, insbesondere in den ersten 100 h der Oxidationsbeanspruchung auf. Der Grund für diese Abweichung liegt in der Tatsache, dass bei Temperaturen im Bereich 700 –950°C metastabile Al2O3-Modifikationen, insbesondere θ-, δ- oder γ-Al2O3 auftreten, und nicht wie bei hohen Temperaturen, das heißt bei und oberhalb von 1000 °C, das stabile a-Al2O3 (hexagonale Struktur; Korund-Gitter) ausgebildet wird.In this temperature range, in particular between 750 and 950 ° C, however, the growth rate (k) of the oxide layer disadvantageously shows a significant deviation from the aforementioned temperature dependence. This deviation occurs in particular in the initial stage, in particular in the first 100 h of the oxidation stress. The reason for this deviation lies in the fact that at temperatures in the range 700-950 ° C metastable Al 2 O 3 modifications, in particular θ-, δ- or γ-Al 2 O 3 occur, and not at high temperatures, that is, at and above 1000 ° C, the stable a-Al 2 O 3 (hexagonal structure, corundum lattice) is formed.

Diese metastabilen Oxidmodifikationen zeichnen sich durch wesentlich höhere Wachstumsraten aus als das α-Al2O3. Sie treten generell nur in den Anfangsstadien der Oxidation auf. Nach langen Zeiten tritt ein Übergang in stabiles α-Al2O3 mit der entsprechenden niedrigen Wachstumsrate auf. Die Zeit bei der dieser Übergang auftritt, nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Bei einer FeCrAl-Legierung tritt der Übergang bei 950°C z. B. nach etwa 15 Stunden ein, bei 800°C jedoch kann die Zeit mehrere hundert Stunden betragen.These metastable oxide modifications are characterized by significantly higher growth rates than the α-Al 2 O 3 . They generally occur only in the early stages of oxidation. After long periods, a transition to stable α-Al 2 O 3 with the corresponding low growth rate occurs. The time at which this transition occurs decreases with increasing temperature. For a FeCrAl alloy, the transition occurs at 950 ° C z. B. after about 15 hours, at 800 ° C, however, the time can be several hundred hours.

Die Lebensdauer einer Komponente bei Temperaturen im Bereich 750–950 °C lässt sich somit in der Regel nicht aus den bei höheren Temperaturen bekannten Oxidwachstumsraten extrapolieren. Für dickwandige Komponenten mit beispielsweise 1 bis 2 mm Wandstärke ist dies in der Regel nicht problematisch, da das Aluminiumreservoir in der Legierung so hoch ist, dass die anfängliche hohe Wachstumsrate bei Temperaturen um 900 °C, bedingt durch die metastabilen Oxidmodifikationen, keine signifikante Reduzierung des gesamten Aluminiumreservoirs bewirkt.The Lifetime of a component at temperatures in the range 750-950 ° C can be thus generally not known from the higher temperatures Extrapolate oxide growth rates. For thick-walled components with for example, 1 to 2 mm wall thickness This is usually not problematic as the aluminum reservoir in the alloy is so high that the initial high growth rate at temperatures around 900 ° C, due to the metastable oxide modifications, no significant Reduction of the entire aluminum reservoir causes.

Bei sehr dünnen Komponenten, wie beispielsweise 0,03 bis 0,1 mm dünnen Folien, kann jedoch durch die anfänglich hohe Wachstumsrate der Oxidschicht, das vorhandene, sehr geringe Aluminiumreservoir nachteilig bereits in wenigen Stunden erschöpft werden. Dies führt regelmäßig zu einer völligen Zerstörung der Komponente in sehr kurzer Zeit. Die tatsächliche Lebensdauer ist somit um Größenordnungen kleiner als man auf Grund der Extrapolation der Wachstumsraten der α-Al2O3-Schichten bei hohen Temperaturen (etwa 1000 bis 1200 °C) erwarten würde.For very thin components, such as 0.03 to 0.1 mm thin films, however, can be exhausted by the initial high growth rate of the oxide layer, the existing, very small aluminum reservoir adversely already in a few hours. This regularly leads to complete destruction of the component in a very short time. The actual lifetime is thus orders of magnitude smaller than one would expect due to the extrapolation of the growth rates of the α-Al 2 O 3 layers at high temperatures (about 1000 to 1200 ° C).

Die vorgenannten Legierungen und Schichten sind daher für den Einsatz in den genannten dünnwandigen Komponenten wie beispielsweise PKW-Katalysatoren, Gasbrennern oder Filtersystemen, sowie in sehr dünnen Schutzschichten von z. B. Schichtdicke von 20–50 μm nicht geeignet.The The aforementioned alloys and layers are therefore suitable for use in the mentioned thin-walled Components such as car catalysts, gas burners or Filter systems, as well as in very thin Protective layers of z. B. layer thickness of 20-50 microns not suitable.

Die Bildung von schnell wachsenden, metastabilen Aluminiumoxidschichten während des Einsatzes der dünnwandigen Legierungen oder Schutzschichten im Temperaturbereich 700–950°C kann regelmäßig dadurch verhindert werden, dass die Legierung oder aufgebrachte Schutzschicht bei hohen Temperaturen, insbesondere bei 1050 °C oder höher voroxidiert wird.The Formation of fast-growing, metastable alumina layers while the use of thin-walled Alloys or protective coatings in the temperature range 700-950 ° C may periodically thereby prevents the alloy or applied protective layer is pre-oxidized at high temperatures, in particular at 1050 ° C or higher.

Wird, jedoch, diese Voroxidation in, wie üblicherweise verwendet, Luft oder einem sauerstoffhaltigen Gas, wie beispielsweise reinem Sauerstoff oder einem Gemisch aus Sauerstoff und Inertgas durchgeführt, so wächst die α-Aluminiumoxidschicht relativ schnell auf. Dadurch wird bei sehr dünnen Komponenten das Aluminiumreservoir in der Legierung oder der Schutzschicht bereits während der Voroxidation zu einem großen Teil oder sogar vollständig erschöpft.Becomes, however, this pre-oxidation in, as commonly used, air or an oxygen-containing gas, such as pure oxygen or a mixture of oxygen and inert gas, the α-alumina layer grows relatively quickly. This makes the aluminum reservoir for very thin components in the alloy or the protective layer already during the Pre-oxidation to a large extent or even completely exhausted.

Aus Untersuchungen zum Massenzuwachsverhalten von aluminiumhaltigen Legierungen beim Aufheizen und einer anschließenden isostatischen Oxidation bei 1200 °C geht hervor, das die Voroxidationszeiten sehr kurz sind und extrem genau eingehalten werden müssten um „Breakaway-Oxidation", bzw. unvertretbar hohem Aluminiumverbrauch zu vermeiden.Out Studies on the mass growth behavior of aluminum-containing Alloys during heating and subsequent isostatic oxidation at 1200 ° C shows that the pre-oxidation times are very short and extreme would have to be respected exactly to "breakaway oxidation", or unreasonably high To avoid aluminum consumption.

Dies ist in der Praxis jedoch kaum einzuhalten, da insbesondere bei größeren Komponenten oder bei großen Stückzahlen in einem Ofen, regelmäßig längere Zeiten von einige Stunden benötigt werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung im ganzen Ofen, d. h. in allen Komponenten zu gewährleisten. Zudem sind bei der hohen Temperatur von z. B. 1200°C in der Regel längere Zeiten von ca. ein bis zwei Stunden erforderlich, um metastabile Oxide, die sich während der Aufheizphase gebildet haben, vollständig in die stabile α-Modifikation des Al2O3 umzuwandeln.However, this is difficult to keep in practice, since especially for larger components or large quantities in a furnace, regularly longer times of a few hours are needed to ensure a uniform temperature distribution throughout the oven, ie in all components. In addition, at the high temperature of z. B. 1200 ° C usually longer times of about one to two hours required to completely transform metastable oxides that have formed during the heating phase in the stable α-modification of Al 2 O 3 .

Aus DE 698 23 468 T2 ist beispielsweise ein Verfahren zur Voroxidation von Substraten oder Beschichtungen bekannt, die Aluminium aufweisen. Dabei erfolgt während des Verfahrens zum Aufbringen von Aluminiumoxidschichten eine Einspeisung von inertem oder nicht reaktivem Gas in den das Substrat umgebenden Bereich. Durch den Einsatz einer Menge von inertem oder nicht reaktivem Gas die gleich oder größer als die Menge an Sauerstoff ist, die später im Zyklus abgeschieden wird, wird erreicht, dass die Wachstumsrate für die thermisch aufgewachsenen Oxidschichten (TGO) während des Vorwärmzyklus wesentlich reduziert werden kann.Out DE 698 23 468 T2 is, for example, a method for pre-oxidation of substrates or Be known coatings comprising aluminum. During the process for applying aluminum oxide layers, an inert or non-reactive gas is introduced into the region surrounding the substrate. By using an amount of inert or non-reactive gas equal to or greater than the amount of oxygen deposited later in the cycle, it is achieved that the rate of growth of the thermally grown oxide layers (TGO) during the preheat cycle can be substantially reduced ,

Aufgabe und LösungTask and solution

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei welchem Komponenten umfassend aluminiumhaltige Legierungen und aluminiumhaltige Schutzschichten bei einem Einsatz im Temperaturbereich 750–950°C ein deutlich verbessertes Langzeitverhalten aufweisen.The The object of the invention is to provide a method available in which components comprising aluminum-containing alloys and aluminum-containing protective layers when used in the temperature range 750-950 ° C a clear have improved long-term behavior.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Behandlung von aluminiumhaltigen Legierungen und aluminiumhaltigen Schichten für den Hochtemperatureinsatz gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens finden sich in den davon abhängigen Ansprüchen wieder.The The object of the invention is achieved by a method of treating aluminum-containing alloys and aluminum-containing layers for high temperature use according to the main claim. Advantageous embodiments of the method can be found in the dependent claims again.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Es wurde herausgefunden, dass die Langzeitstabilität von Komponenten umfassend aluminiumhaltige Legierungen und Schutzschichten bei einem Einsatz im Temperaturbereich von 750–950 °C deutlich verbessert werden kann, wenn insbesondere im Anfangsstadium der Oxidation der Komponente anstelle der metastabilen Oxidmodifikationen eine überwiegend aus α-Al2O3 aufgebaute oxidische Deckschicht ausgebildet wird. Unter Komponenten sind dabei sowohl aus einer Al-Legierung bestehende Folien oder Drähte zu verstehen, als auch mit einer Al-haltigen Schutzschicht versehene Bauteile, wie beispielsweise Gasturbinenschaufeln. Typische Al-haltige Legierungen sind Legierungen auf der Basis Fe-Al, Ni-Al, Ni-Cr-Al oder Fe-Cr-Al, wie sie auch schon eingangs erwähnt wurden.It has been found that the long-term stability of components comprising aluminum-containing alloys and protective layers can be significantly improved when used in the temperature range of 750-950 ° C, especially in the initial stage of the oxidation of the component instead of the metastable oxide modifications a predominantly from α-Al 2 O. 3 constructed oxidic cover layer is formed. Components here are to be understood as meaning both films or wires consisting of an Al alloy and components provided with an Al-containing protective layer, for example gas turbine blades. Typical Al-containing alloys are alloys based on Fe-Al, Ni-Al, Ni-Cr-Al or Fe-Cr-Al, as already mentioned at the outset.

Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik, wird bei dem erfindungemäßen Verfahren die Voroxidation nicht in einer Atmosphäre, die Sauerstoff als oxidierende Komponente enthält (wie z. B. reiner Sauerstoff oder Luft), durchgeführt, sondern in einer Atmosphäre, die als oxidierende Gaskomponente Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Wasserdampf mit einem sehr geringen Anteil an freiem Sauerstoff enthält. Beispiele solcher Gase sind insbesondere:

  • – Wasserdampf
  • – Wasserstoff mit Wasserdampf
  • – Kohlendioxid mit Kohlenmonoxid
  • – Gemisch aus einem Inertgas (z.B. Argon oder ggf. Stickstoff) und Wasserdampf
  • – Gemisch aus einem Inertgas (z.B. Argon oder ggf. Stickstoff) mit Wasserdampf und Wasserstoff
  • – Gemisch aus einem Inertgas (z.B. Argon oder ggf. Stickstoff) mit Kohlendioxid und Kohlenmonoxid.
In contrast to the prior art, in the process according to the invention, the pre-oxidation is not carried out in an atmosphere containing oxygen as an oxidizing component (such as pure oxygen or air) but in an atmosphere containing carbon monoxide as the oxidizing gas component Contains carbon dioxide or water vapor with a very low proportion of free oxygen. Examples of such gases are in particular:
  • - Steam
  • - Hydrogen with water vapor
  • - Carbon dioxide with carbon monoxide
  • - Mixture of an inert gas (eg argon or possibly nitrogen) and water vapor
  • - Mixture of an inert gas (eg argon or possibly nitrogen) with water vapor and hydrogen
  • - Mixture of an inert gas (eg argon or possibly nitrogen) with carbon dioxide and carbon monoxide.

In diesen Atmosphären ist die Wachstumsrate der α-Al2O3-Schicht und damit der Verbrauch des Aluminiums in der Legierung deutlich geringer als bei Oxidation in Atmosphären die Sauerstoff als wesentliche oxidierende Komponente, wie z. B. Luft haben. Bei einer gegebenen Voroxidationszeit von beispielsweise eine Stunde in einer dieser Atmosphären ist somit die verbrauchte Al-Menge in der Legierung deutlich geringer, als wenn die Voroxidation während der gleichen Zeit in einer Atmosphäre auf Sauerstoffbasis durchgeführt worden wäre. Damit ist das Aluminiumreservoir in der Komponente, die nach dem neuen Verfahren vorbehandelt wurde, wesentlich größer und damit die Lebensdauer wesentlich länger, als in einer Komponente die in einer Atmosphäre auf Sauerstoffbasis vorbehandelt worden ist.In these atmospheres, the growth rate of the α-Al 2 O 3 layer and thus the consumption of aluminum in the alloy is significantly lower than when oxidized in atmospheres, the oxygen as a significant oxidizing component, such. B. have air. Thus, given a pre-oxidation time of, for example, one hour in one of these atmospheres, the amount of Al consumed in the alloy is significantly less than if the preoxidation had been carried out in an oxygen-based atmosphere during the same time. Thus, the aluminum reservoir in the component which has been pretreated by the new process is substantially larger, and thus the life much longer, than in a component which has been pretreated in an oxygen-based atmosphere.

Als besonders vorteilhaft für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich die nachfolgend im Einzelnen beschriebenen Atmosphären herausgestellt, die so bei Raumtemperatur in einen Ofen eingeführt, bei der entsprechenden Temperatur der Voroxidation eine Atmosphäre ausbildet, die den k-Wert für die α-Al2O3 Bildung deutlich herabsetzt.To be particularly advantageous for carrying out the process according to the invention, the atmospheres described in detail below have been found, which introduced so at room temperature in an oven at the corresponding temperature of the pre-oxidation forms an atmosphere, the k value for the α-Al 2 O. 3 education significantly lowers.

Es wurde im Rahmen der Erfindung herausgefunden, dass der Anteil an freiem Sauerstoff allein nicht entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist. So bildet sich beispielsweise in einer reinen Sauerstoffatmosphäre bei einem Vakuum von 10–6 bar die gewünschten α-Al2O3-Oxidschichten auf der Oberfläche der Al-haltigen Komponenten regelmäßig nicht aus. Dies ist damit zu erklären, dass in einer solchen Atmosphäre das Reservoir an Sauerstoff absolut zu gering ist, um die gewünschte Schichtbildung zu ermöglichen.It has been found within the scope of the invention that the proportion of free oxygen alone is not critical for the process according to the invention. Thus, for example, in a pure oxygen atmosphere at a vacuum of 10 -6 bar, the desired α-Al 2 O 3 oxide layers do not regularly form on the surface of the Al-containing components. This is explained by the fact that in such an atmosphere the reservoir of oxygen is absolutely too low to allow the desired layer formation.

Bei der erfindungsgemäß eingesetzten Atmosphäre handelt es sich demgegenüber um ein Gas oder eine Gasmischung, die durch ihre Komponenten Wasserdampf, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid potentiell genügend Sauerstoff zur Verfügung stellen kann, auch wenn der Gehalt an freiem Sauerstoff absolut gesehen nur sehr gering ist, beispielsweise unterhalb von 100 ppm. Vorteilhafte einzusetzende Atmosphären sind:

  • a) Wasserdampf Bei Zugabe von reinem Wasserdampf als oxidierender Atmosphäre sollte der Gehalt an freiem Sauerstoff nicht mehr als 100 ppm betragen.
  • b) Wasserstoff mit Wasserdampf Bei Verwendung einer Wasserstoff/Wasserdampf Atmosphäre kann das Verhältnis zwischen 10/1 bis 1/1000 frei gewählt werden. Für die Wirkung des Verfahrens ist jedoch entscheidend, dass der freie Sauerstoffgehalt geringer ist, als der entsprechende Wasserstoffgehalt (O2 < H2).
  • c) Kohlendioxid mit Kohlenmonoxid Hier gilt ähnliches, wie für die Mischung Wasserstoff mit Wasserdampf. Bei Verwendung einer Kohlendoxid/Kohlenmonoxid Atmosphäre kann das Verhältnis ebenfalls zwischen 10/1 bis 1/1000 frei gewählt werden. Der freie Sauerstoffgehalt sollte ebenfalls geringer sein, als der entsprechende Gehalt an Kohlenmonoxid (O2 < CO).
  • d) Gemisch aus einem Inertgas (z.B. Argon oder ggf. Stickstoff) und einer unter a) bis c) genannten Atmosphäre Das verwendete Inertgas ist bei technischen Gasen häufig Träger von sauerstoffhaltigen Verunreinigungen. Hier gilt für den freien Sauerstoffgehalt der gesamten Mischung jeweils analog das unter a) bis c) gesagte.
By contrast, the atmosphere used according to the invention is a gas or a gas mixture which can potentially provide sufficient oxygen through its components water vapor, carbon monoxide or carbon dioxide, even if the free oxygen content is very low, for example below 100 ppm. Advantageous atmospheres to be used are:
  • a) Water vapor When pure steam is added as the oxidizing atmosphere, the content of free oxygen should not be more than 100 ppm.
  • b) Hydrogen with water vapor When using a hydrogen / steam atmosphere, the ratio between 10/1 and 1/1000 can be freely selected. However, it is crucial for the effect of the process that the free oxygen content is lower than the corresponding hydrogen content (O 2 <H 2 ).
  • c) Carbon dioxide with carbon monoxide The same applies here as for the mixture of hydrogen with water vapor. When using a carbon dioxide / carbon monoxide atmosphere, the ratio can also be freely selected between 10/1 to 1/1000. The free oxygen content should also be lower than the corresponding content of carbon monoxide (O 2 <CO).
  • d) Mixture of an inert gas (eg argon or possibly nitrogen) and an atmosphere mentioned under a) to c) The inert gas used is often the carrier of oxygen-containing impurities in industrial gases. Here, the same applies to the free oxygen content of the entire mixture as in a) to c).

Durch die vorgenannten Atmosphären wird der k-Wert der Oxidation bei den Temperaturen der Voroxidation vorteilhaft verringert, so dass einerseits zwar eine vollständige Ausbildung der stabilen α-Al2O3 Deckschicht erzielt wird, andererseits aber die dabei auftretende Aluminiumverarmung in der Legierung oder der Schicht vorteilhaft verringert wird. Dadurch kann die Lebensdauer dieser so vorbehandelten Legierungen, bzw. Schichten deutlich verlängert werden.As a result of the abovementioned atmospheres, the k value of the oxidation at the temperatures of the preoxidation is advantageously reduced, so that on the one hand complete formation of the stable α-Al 2 O 3 cover layer is achieved, but on the other hand the aluminum depletion occurring in the alloy or the layer is advantageously reduced. As a result, the life of these pretreated alloys, or layers can be significantly extended.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und Tabellen näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.following the subject matter of the invention is based on figures and tables explained in more detail, without that the subject of the invention is limited thereby.

Die Oxidwachstumsrate, die sich in den vorgenannten Atmosphären im Vergleich zu den Raten in einer Atmosphäre auf Sauerstoffbasis einstellt, können quantitativ aus folgenden Erkenntnissen abgeleitet werden.The Oxide growth rate, which differs in the aforementioned atmospheres to the rates in an atmosphere based on oxygen can quantitatively derived from the following findings.

Generell geht man davon aus, dass die Abhängigkeit der Dicke x (z. B. in μm) α-Al2O3-Schicht von der Zeit t (in Stunden) sich aus folgender Gesetzmäßigkeit ergibt: x = p·tn (Gl. 3) In general, it is assumed that the dependence of the thickness x (eg in μm) α-Al 2 O 3 -layer on the time t (in hours) results from the following law: x = p · t n (Equation 3)

Da die Oxidbildung mit einer Sauerstoffaufnahme korreliert, nimmt die Masse der Komponente während des Oxidationsprozesses zu. Dabei ist die oberflächenspezifische Massenzunahme (Δm in mg pro cm2) proportional zur Oxidschichtdicke x. Daher wird in der Praxis die Oxidationsrate nicht mittels Gleichung (3) beschrieben, sondern durch: Δm = k·tn (Gl. 4) As oxide formation correlates with oxygen uptake, the mass of the component increases during the oxidation process. The surface-specific mass increase (Δm in mg per cm 2 ) is proportional to the oxide layer thickness x. Therefore, in practice, the oxidation rate is not described by equation (3) but by: Δm = k · t n (Equation 4)

Bei reiner Al2O3-Bildung gilt, dass eine Massenänderung von 1 mg pro cm2 einer Oxidschichtdicke von ca. 5 Mikrometern entsprichtFor pure Al 2 O 3 formation, a mass change of 1 mg per cm 2 corresponds to an oxide layer thickness of approximately 5 micrometers

Welchen Einfluss die Temperatur und der Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck der Atmosphäre während der Voroxidation auf der Oxidationsfaktor k haben, wird aus den folgenden Figuren deutlich.Which Influence the temperature and equilibrium oxygen partial pressure the atmosphere while the pre-oxidation on the oxidation factor k, is from the following figures clearly.

Der Wert des Oxidationsfaktors k ist stark temperaturabhängig. Er nimmt mit zunehmender Temperatur stark zu. Typische Werte von k während der Oxidation in einer Atmosphäre auf Sauerstoffbasis sind in 1 dargestellt. Die 1 zeigt als Beispiel die experimentell ermittelte Temperaturabhängigkeit des k-Wertes für die Bildung einer α-Al2O3-Schicht in einer Atmosphäre B, die Wasserdampf als oxidierende Komponente enthält (gestrichelte Linie). In diesem Fall besteht die verwendete Atmosphäre aus einem Gemisch aus einem Inertgas Ar mit 4 % H2 und 2 % H2O. Zum Vergleich ist die Temperaturabhängigkeit des k-Wertes für eine Atmosphäre A mit einem Gasgemisch von Argon mit 20 % Sauerstoff eingetragen (durchgezogene Linie).The value of the oxidation factor k is strongly temperature-dependent. It increases strongly with increasing temperature. Typical values of k during oxidation in an oxygen-based atmosphere are in 1 shown. The 1 shows, as an example, the experimentally determined temperature dependence of the k value for the formation of an α-Al 2 O 3 layer in an atmosphere B containing water vapor as the oxidizing component (dashed line). In this case, the atmosphere used consists of a mixture of an inert gas Ar with 4% H 2 and 2% H 2 O. For comparison, the temperature dependence of the k value for an atmosphere A with a gas mixture of argon with 20% oxygen is plotted ( solid line).

Der Exponent n ist kaum abhängig von der Temperatur; bei den meisten α-Al2O3-bildenden Legierungen beträgt er etwa 0,35.The exponent n is hardly dependent on the temperature; it is about 0.35 for most α-Al 2 O 3 -forming alloys.

Die Abhängigkeit des Oxidationsfaktor k vom Sauerstoffpartialdruck ist für drei relevante Temperaturen (1200 °C, 1150 °C, 1100 °C) in 2 dargestellt. Der k-Wert nimmt mit geringerer Temperatur deutlich ab. Allerdings sollten Temperaturen von 1050 °C für die Voroxidation nicht unterschritten werden, weil andernfalls eine vollständige Umwandlung der metastabilen Oxidationszustände in das stabile α-Al2O3 regelmäßig nicht mehr gewährleistet werden kann.The dependence of the oxidation factor k on the oxygen partial pressure is for three relevant temperatures (1200 ° C, 1150 ° C, 1100 ° C) in 2 shown. The k value decreases significantly with lower temperature. However, temperatures of 1050 ° C for the pre-oxidation should not be undercut, because otherwise a complete conversion of the metastable oxidation states into the stable α-Al 2 O 3 can not be guaranteed regularly.

Deutlich ist zu erkennen, um welchen Faktor vorteilhaft insbesondere bei höheren Temperaturen der k-Wert reduziert wird, wenn anstelle einer viel Sauerstoff enthaltenen Basisatmosphäre eine erfindungsgemäß eingesetzte Atmosphäre gewählt wird, die Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Wasserdampf als oxidierende Komponente enthält, und somit einen freien Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck von regelmäßig weniger als 10–4, insbesondere weniger als 10–6 und besonders vorteilhaft von weniger als 10–8 in bar aufweist.It can be clearly recognized by which factor the k value is advantageously reduced, especially at relatively high temperatures, if an atmosphere used according to the invention containing carbon monoxide, carbon dioxide or water vapor as oxidizing component is chosen instead of a base atmosphere containing much oxygen, and thus a free equilibrium oxygen partial pressure of regularly less than 10 -4 , in particular less than 10 -6 and particularly advantageously less than 10 -8 in bar.

Die 3 zeigt experimentelle Messungen des Oxidwachstums einer α-Al2O3-bildenden FeCrAl-Legierung während des Aufheizens auf 1200 °C mit einer Aufheizrate von 90 Grad pro Minute (Phase I) und der anschließenden isothermen Phase (II) bei 1200 °C in einer Sauerstoff-Basisatmosphäre (Luft) und in der bereits oben genannten Ar/H2/H2O-Atmosphäre (siehe auch 1). Die Gewichtszunahme wurde mittels Thermogravimetrie bestimmt. Dargestellt ist die Massenänderung durch Sauerstoffaufnahme auf Grund der Oxidbildung als Funktion der Versuchszeit.The 3 shows experimental measurements of the oxide growth of an α-Al 2 O 3 -forming FeCrAl alloy during heating to 1200 ° C with a heating rate of 90 degrees per minute (Phase I) and the subsequent isothermal phase (II) at 1200 ° C in one Oxygen base atmosphere (air) and in the above-mentioned Ar / H 2 / H 2 O atmosphere (see also 1 ). The weight gain was determined by thermogravimetry. Shown is the mass change due to oxygen uptake due to oxide formation as a function of the experimental time.

Ebenfalls eingetragen sind berechnete Massenänderungswerte (also Oxidschichtdicken) bei denen das Aluminium aus einer typischen dünnwandigen Komponente mit verschiedenen Geometrien vollständig verarmt wäre. Dabei wurde davon ausgegan gen, dass die Komponente aus einer FeCrAl-Legierung mit einem typischen Al-Gehalt von 5 Mass.-% gefertigt wurde. Der mit a) bezeichnete Grenzwert entspricht dabei dem vollständigen Aluminiumverbrauch in einer Folie mit 20 μm Schichtdicke. Der geringere Grenzwert (b) entspricht analog dem vollständigen Aluminiumverbrauch in einer Folie mit nur 15 μm Schichtdicke oder alternativ einem Draht mit einem Durchmesser von 30 μm.Also are entered calculated mass change values (ie oxide layer thicknesses) where the aluminum from a typical thin-walled component with different Geometries completely depleted would. there It was assumed that the component consists of a FeCrAl alloy made with a typical Al content of 5 mass%. Of the with a) designated limit corresponds to the total consumption of aluminum in a film with 20 microns Layer thickness. The lower limit (b) corresponds analogously to complete Aluminum consumption in a foil with only 15 μm layer thickness or alternatively one Wire with a diameter of 30 μm.

Es wird deutlich, dass bei geringen Schichtdicken oder Drahtdurchmessern bei der bislang üblichen Voroxidation in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre die Lebensdauer der Legierung oder der Schicht schon nach wenigen Stunden erschöpft sein kann. Da eine typische Voroxidationsdauer von ca. 2 Stunden angestrebt wird, wäre in diesem Fall einer Legierung mit einer Schichtdicke von nur 15 μm Dicke nachteilig die „Breakaway Oxidation" schon erreicht.It becomes clear that with small layer thicknesses or wire diameters in the usual pre-oxidation in an oxygen-containing atmosphere, the life of the alloy or the layer will be exhausted after just a few hours can. As a typical pre-oxidation of about 2 hours sought will, would be in this case, an alloy with a thickness of only 15 microns thick disadvantageous the "breakaway Oxidation "already reached.

Tabelle 1 fasst für dieses Beispiel zusammen, welcher prozentuale Anteil des Aluminiums in den verschieden Komponentengeometrien nach einer gesamten Oxidationszeit von einer Stunde in den verschiedenen Atmosphären verbraucht wäre. Ebenfalls aufgelistet ist, nach welchen Oxidationszeiten in den beiden Atmosphären 70 % des Aluminiums aus der Legierung verbraucht ist. Tabelle 1: Prozentualer Al-Verbrauch nach einer Stunde Vorbehandlung (einschließlich Aufheizzeit) von Komponenten mit unterschiedlicher Geometrie gefertigt aus FeCrAl-Legierung mit 5 Mass.-% Al. Daten abgeleitet aus Fig. 3.

Figure 00140001
Tabelle 2: Zeiten (einschließlich Aufheizzeit) bis zu einem Al-Verbrauch von 70 % in Komponenten unterschiedlicher Geometrie gefertigt aus einer FeCrAl-Legierung mit 5 Mass.-% Al.
Figure 00140002
Table 1 summarizes for this example what percentage of the aluminum in the different component geometries would be consumed after a total oxidation time of one hour in the different atmospheres. It is also listed after which oxidation times in the two atmospheres 70% of the aluminum from the alloy is consumed. Table 1: Percentage Al consumption after one hour of pretreatment (including heat-up time) of components of different geometry made of FeCrAl alloy with 5 mass% Al. Data derived from FIG. 3.
Figure 00140001
Table 2: Times (including heating time) up to an Al consumption of 70% in components of different geometry made from a FeCrAl alloy with 5 mass% Al.
Figure 00140002

Für andere Oxidationstemperaturen und andere Gasgemische können analoge quantitative Daten aus Gleichung 4 mit Hilfe der Daten in 1 und 2 hergeleitet werden.For other oxidation temperatures and other gas mixtures, analogous quantitative data from Equation 4 can be obtained using the data in 1 and 2 be derived.

Claims (5)

Verfahren zur Voroxidation von Komponenten aus einer Al-Legierung oder mit einer aluminiumhaltigen Beschichtung, bei dem die Komponente zur Ausbildung einer stabilen α-Al2O3 Deckschicht auf Temperaturen oberhalb von 1050 °C aufgeheizt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine sauerstoffarme Atmosphäre eingesetzt wird, die bei Raumtemperatur entweder – Wasserdampf mit einem freien Sauerstoffgehalt [O2] von weniger als 100 ppm aufweist, oder – eine Mischung aus Wasserdampf und Wasserstoff aufweist, wobei der Gehalt an freiem Sauerstoff geringer als der Gehalt an Wasserstoff ist ([O2] < [H2]), oder – eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aufweist, wobei der Gehalt an freiem Sauerstoff geringer als der Gehalt an Kohlenmonoxid ist ([O2] < [CO]).A method for pre-oxidation of components of an Al alloy or with an aluminum-containing coating, wherein the component for forming a stable α-Al 2 O 3 cover layer are heated to temperatures above 1050 ° C, characterized in that a low-oxygen atmosphere is used which has at room temperature either - water vapor with a free oxygen content [O 2 ] of less than 100 ppm, or - has a mixture of water vapor and hydrogen, the content of free oxygen being less than the content of hydrogen ([O 2 ] <[H 2 ]), or - a mixture of carbon monoxide and carbon dioxide, wherein the content of free oxygen is less than the content of carbon monoxide ([O 2 ] <[CO]). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die sauerstoffarme Atmosphäre zusätzlich ein Inertgas aufweist.The method of claim 1, wherein the oxygen-poor the atmosphere additionally having an inert gas. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 2, bei dem Argon und/oder Stickstoff als zusätzliches Inertgas eingesetzt werden.Method according to the preceding claim 2, wherein Argon and / or nitrogen used as an additional inert gas become. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Mischung aus Wasserdampf und Wasserstoff im Verhältnis 10 zu 1 bis 1 zu 1000 eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 3, in which a mixture of water vapor and hydrogen in the ratio 10 to 1 to 1 to 1000 is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Verhältnis 10 zu 1 bis 1 zu 1000 eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 3, in which a mixture of carbon monoxide and carbon dioxide in the ratio 10 to 1 to 1 to 1000 is used.
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