Einfluss der Oberflächenorientierung und der chemischen Zusammensetzung auf das Oxidationsverhalten von beta-NiAl Einkristallen

Abstract

Beta-NiAl als intermetallische Verbindung hat durch seine günstigen Eigenschaften breite Anwendung als Hochtemperaturwerkstoff gefunden. Die gute Oxidationsbeständigkeit wird dadurch gewährleistet, dass bei hohen Temperaturen eine langsam wachsende, schützende Aluminiumoxidschicht auf der NiAl-Oberfläche aufwächst. Von großer Bedeutung für die Anwendung dieses Systems sind die Haftungseigenschaften der Oxidschicht auf dem Metallsubstrat. Diese können durch Porenbildung auf der Metall/Oxid-Grenzfläche und Spannungen in der Oxidschicht, hervorgerufen durch Unterschiede in der thermischen Ausdehnung und Phasenumwandlungen, stark beeinträchtigt werden. Ziel der Arbeit war es, anhand von bei 1100°C oxidierten beta-NiAl Einkristallproben den Einfluss der Oberflächenorientierung und der Zusammensetzung auf diese haftungsbeeinflussenden Faktoren zu untersuchen. Die Untersuchung der Mikrostruktur an der Porenentwicklung wurden sowohl lichtmikroskopische als auch elektronenmikroskopische Methoden herangezogen. Zur Bestimmung der Restspannungen in der Aluminiumoxidschicht wurde die Methode der optischen Fluoreszenzspektroskopie eingesetzt. Diese Methode lässt sich ebenfalls zur Phasenidentifizierung bei der Untersuchung der Phasenumwandlung in der Oxidschicht anwenden. Die Wachstumskinetik wurde mit Hilfe der thermogravimetrischen Analyse bestimmt. Aus diesen verschiedenen Untersuchungen konnten Korrelationen zwischen den einzelnen Faktoren hergestellt werden, d.h. Verbindungen gezogen werden zwischen der Phasenumwandlung, damit verbundenen mikrostrukturellen Veränderungen, der Änderung der Wachstumskinetik und der Spannungsentwicklung. Daraus ließen sich Aussagen über kritische Bedingungen treffen, die bei den unterschiedlichen Proben zum Einleiten des Schichtversagens führen können.

The intermetallic beta-NiAl is an interesting material for high temperature applications. The main reason is the ability to form an external, slow-growing Al2O3 (alumina) film in oxygen containing atmospheres at elevated temperatures. An important criterion for high temperature materials is excellent adherence of the oxide on the metallic substrate. Therefore void formation at the metal/oxide-interface, stresses in the oxide scale caused by the thermal mismatch and phase transformations have a crucial influence on the adherence. Some proposals using reactive elmenents to improve the adherence of the oxide scale are existing. In this study, this so-called reactive element effect should not play a role, rather than effects concerning undoped NiAl. In consideration of the fact that NiAl has a wide homogeneity range, it was interesting to study the influence of the Al-content to the whole oxidation process. The specimens with a variied Al-content and different surface orientations were oxidized at 1100 °C. During oxidation, the growth rates were determined by highly sensitive thermogravimetric measurements. Microstructural observations of the oxide scale and the metal/oxide-interface (MOI) were carried out by light microscopy, scanning electron microscopy and conventional transmission electron microscopy. Residual stresses in the alpha-alumina were investigated with the optical fluorescence spectroscopy. This method were also used to identify the different phases in the oxide scale. Mechanical stresses in alpha-Al2O3 consist mainly of compressive strain caused by the thermal mismatch between metal and oxide. The previously described aspects of the oxidation behavior of NiAl were investigated with regard to dependence on surface orientation and Al-content. This work contributed a better understanding of the substantial oxidation mechanism of NiAl. By combining the different investigations, it was possible to discuss important implications of undoped beta-NiAl.