High temperature oxidation of bulk RuAl alloy

Abstract

In thermal barrier coatings (TBCs), thermal insulation is provided by an outer Y2O3 partially-stabilized zirconia (YSZ) layer. Beneath this layer a chemical barrier is needed to protect the underlying superalloy from the thermal oxidation, because the porous YSZ is permeable to oxygen. Chemical protection is provided by a thin ?-Al2O3 layer between the metal and thermal barrier. This layer grows during oxidation and hence is known as the thermally grown oxide (TGO). Since the superalloys are not optimized for oxidation resistance, development of a chemical barrier requires modification of the surface chemistry. A buffer layer is formed by adding specific elements, such as: Al, Pt, Cr, Co, Y. This buffer layer is commonly addressed as the bond coat (BC). Improving the BCs is regarded as the highest priority for emerging TBC systems; in fact there is evidence that most of the TBC failures are related to the TGO and its interfacial separation. The use of Ru-containing BCs has been indicated as a promising alternative to (Ni,Pt)Al, which represents so far the most suitable material for BCs. In particular, stoichiometric RuAl has a very good room temperature hardness and toughness. It possesses a high melting point, a coefficient of thermal expansion (CTE) close to that of ?-Al2O3 and a good creep resistance. All these characteristics render this alloy a potential candidate for high temperature applications. The main objective of this thesis is to perform fundamental studies on the oxidation behaviour of polycrystalline RuAl bulk material. All the experiments in this study were conducted on near stoichiometric polycrystalline RuAl (B2 structure) obtained by arc-melting and induction-melting. Mainly all the oxidation experiments were conducted isothermally at 1100 ?C. The oxidation experiments lasted for different times ranging from 0.1 to 500 h. Different oxidizing atmospheres have been used: air, and oxygen plus argon mixture. The surfaces of the RuAl samples were prepared prior to oxidation in two different ways: (i) by polishing, and (ii) by grinding. In addition, thermogravimetric analyses (TGA) and X-ray diffraction (XRD) were performed during oxidation in order to investigate in-situ the growth of the TGO. The oxidized samples were characterized using XRD, scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM). The results showed the formation of an ?-Al2O3 layer on top of a ?-Ru layer. The ?-Ru phase forms during oxidation because of the depletion of Al in the RuAl substrate. In fact RuAl has a small stoichiometric gap, which induces a fast phase transformation due to the Al depletion. Cross section investigations of the oxide scale presented an equiaxed morphology next to the gas phase and a columnar morphology next to the ?-Ru phase. There is evidence, which suggests a growth mechanism of the TGO based on a simultaneous inward diffusion of oxygen and an outward diffusion of Al. The formation of ?-Al2O3 needles has also been observed at the gas/oxide interface. No transient crystalline alumina has ever been detected after the performed oxidations. It is suggested that the early-formation of the ?-Ru phase enhances the nucleation of ?-Al2O3. During the early stages of the oxidation the microstructure of the scale is already well defined, showing the ?-Ru and the ?-Al2O3 layers. Interface instability between these layers and evaporation of gaseous Ru-oxides lead to the formation of large elongated cavities and alternating ?-Al2O3/?-Ru layers. An amorphous oxy-nitride (Ru-Al-O-N) can be detected in the cavities after oxidation in air. Compared to the oxidation in O2 plus Ar, the oxidation in air showed a much less severe evaporation of gaseous Ru-oxides. In-situ measurements of Debye-Scherrer diffraction patterns from ?-Al2O3 and ?-Ru phases have been recorded during oxidation. The elliptical distortion of the diffraction rings has been analyzed in order to determine the in-plane strain. The results showed that the stress in the ?-Al2O3 is compressive at all times, with the largest stress appearing in early oxidation. This is in agreement with the fact that no transition aluminas have been observed. The residual stress, which develops during cooling in the oxide scale, is relatively small compared to other alumina-former alloys. In fact, as mentioned, the thermal expansion coefficients (CTE) of ?-Al2O3 and RuAl are relatively comparable. In conclusion, the high-temperature oxidation of polycrystalline RuAl presented properties, which are very advantageous for a potential BC, such as (i) the direct establishment of ?-Al2O3 during oxidation, and (ii) the relatively small stresses developed by the TGO during oxidation and cooling. But the formation of the ?-Ru layer beneath the oxide scale appears detrimental for the TGO formation, because the evaporation of RuO3 and RuO4 does not allow a compact oxide to form.

In den Wärmedämmschichtsysteme (TBC), wird die thermische Isolierung durch eine äußere Y2O3, teilweise mit Zirkonium stabilisierte Schicht (YSZ), gewährleistet. Neben dieser Schicht wird eine weitere benötigt, um die darunter liegende Legierung vor thermischer Oxidation zu schützen, da die poröse YSZ Schicht Sauerstoffdiffusion zulässt. Dieser chemische Schutz wird durch eine dünne ?-Al2O3 zwischen dem Metall und der thermischen Barriere gewährleistet. Diese Schicht wächst während der Oxidation und deshalb nennt man sie thermisch wachsende Oxidschicht (TGO). Diese TGO- Schicht stellt eine Diffusionsbarriere für den Sauerstoff dar. Zu diesem Zweck wird auf das Bauteil zunächst eine metallische Haftvermittlerschicht (Bond Coat BC) aufgebracht, die während der TBC Beschichtung eine thermisch wachsende Oxidschicht ausbildet. Die Haftvermittlerschicht enthält Elemente wie Al,Pt, Cr, Co und Y. Eine Verbesserung dieser BC´s stellt einen Schwerpunkt bei der Herstellung der TBC Systeme dar, weil die meisten Ausfälle durch eine Trennung an den Grenzflächen Metall-BC oder BC-TGO zustande kommen. Die Anwendung von BCs, die Ru enthalten, hat sich als eine vielversprechende Alternative zu (Ni, Pt )Al erwiesen. Die stöchiometrische Zusammensetzung von RuAl besitzt eine sehr gute Härte und Zähigkeit bei Raumtemperatur. Desweiteren besitzt RuAl einen hohen Schmelzpunkt, eine gute Kriechbeständigkeit sowie einen themischen Ausdehnungskoeffizienten, der in der Größenordnung des ?- Al2O3 liegt. Aufgrund dieser Eigenschaften ist es ein guter potentieller Kandidat für Hochtemperaturanwendungen. Die Hauptaufgabe dieser Arbeit war es, das Oxidationsverhalten von RuAl zu untersuchen. Alle Experimente wurden an nahezu stöchiometrischem RuAl durchgeführt , welches durch Lichtbogenofenschmelzen und Induktionsschmelzen hergestellt wurde. Alle Oxidationsexperimente wurden isotherm bei 1100 °C durchgeführt. Die Dauer der Oxidationsexperimente variierte von 0.5-500h. Unterschiedliche Oxidationsathmosphären wurden verwendet: Luft, sowie eine Sauerstoff-Argonmischung. Die Oberflächen der RuAl Proben wurden vor dem Versuch in folgender Weise präpariert: (i) Polieren,(ii) Schleifen. Zusätzlich wurden thermogravimetrische Untersuchungen und Röntgenuntersuchungen durchgeführt, um das insitu-Wachstum der TGO-Schicht zu beobachten. Die oxidierten Proben wurden mit XRD, REM und TEM untersucht. Die Ergebnisse zeigten die Bildung einer ?-Al2O3 -Schicht über einer ?-Ru -Schicht, Das ?-Ru bildet sich während der Oxidation infolge einer Al-Verarmung des RuAl-Grundwerkstoffes. Wegen des geringen Löslichkeitsbereiches der Phase RuAl geschieht der Übergang zum Ru-Mischkristall sehr schnell. Querschliffuntersuchungen des Oxides zeigten aequiaxiales Wachstum an der Außenseite und Stengelkristallwachstum zum ?-Ru hin. Der ableitbare Wachstumsmechanismus des TGO besteht darin, dass es eine Eindiffusion von Sauerstoff und eine Ausdiffusion von Aluminium gibt. Das Wachstum von ?-Al2O3 -Nadeln an der Atmosphärenseite wurde ebenfalls beobachtet. Andere Aluminiumoxide als ?-Al2O3 wurden zu keiner Zeit der Oxidation gefunden. Es wird angenommen, dass die frühe Bildung von ?-Ru die Keimbildung von ?-Al2O3 begünstigt. Während der Frühphase der Oxidation wird das Gefüge der Schicht schnell mit ?-Ru und ?-Al2O3 -Lagen ausgebildet. Grenzflaecheninstabilitaet zwischen diesen Lagen und die Abdampfung von Ru-Oxiden führt zur Bildung großer, lang gestreckter Poren und den abwechselnden Lagen von ?-Al2O3 und ?-Ru. In den Poren wurde nach Oxidation ein amorphes Oxinitrid (Ru-Al-O-N) gefunden. Im Vergleich zu einer Oxidation in Sauerstoff mit Argon wurde bei Oxidation an Luft weniger Abdampfung von Ru-Oxid gefunden. Es wurden Insitu-Messungen mit Debye-Scherrer-Technik während der Oxidation durchgeführt. Die elliptische Verzeichnung der Beugungsringe wurde zur Ermittlung der Spannungen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass im ?-Al2O3 stets Druckspannungen vorliegen. Dabei liegen die höchsten Spannungen im Frühstadium der Oxidation vor. Diese Ergebnisse stimmen damit überein, dass beim Anfangsstadium keine anderen Oxide gefunden wurden. Die nach der Abkühlung im Oxid verbleibenden Spannungen sind im Vergleich zu ?-Al2O3 auf anderen Hochtemperaturwerkstoffen niedrig. Dies liegt daran, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Oxid und RuAl annähernd gleich sind. Zusammenfassend zeigte die Hochtemperaturoxidation von polykristallinem RuAl Eigenschaften, die ein Potential für einen Einsatz von RuAl als BC-Material darstellen. Diese bestehen (i) darin, dass sich ?-Al2O3 direkt während der Oxidation bildet und (ii) darin, dass sich bei der TGO-Bildung und bei der anschließenden Abkühlung wenig Spannungen aufbauen. Die Bildung der ?-Ru -Lagen hingegen ist kritisch für die Bildung einer funktionellen TGO-Schicht, weil die Abdampfung der Ru-Oxide kein massives, fehlerfreies Oxid zulässt.