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Der Aufbau von Oxidschutzschichten auf Hochtemperaturlegierungen bei unterschiedlichen
Sauerstoffpartialdrucken und ihr Einfluß auf die Permeation von Deuterium
M. Dani und H.-J. Klaar (V)
Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie der RWTH Aachen, D-52062 Aachen
1. Einleitung
In der Hochtemperaturtechnik sind metallische Werkstoffe nur mit oxidischen Deckschichten an-
wendbar. Diese oxidischen Deckschichten schützen die Hochtemperaturlegierungen vor dem wei-
teren korrosiven Angriff der Betriebsmedien wie z. B. Schwefel (S), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N)
und anderen Gasen.
Anwendungsbeispiele für Hochtemperaturschutzschichten sind u.a. der Apparatebau der chemi-
schen Industrie, die Kohleverbrennung für die Elektrizitätserzeugung, Müllverbrennungsanlagen,
Gasturbinen und der Hochtemperaturreaktor. Im Hochtemperaturreaktor bieten diese Oxidschichten
Schutz gegen die Permeation von natürlichem Wasserstoff (H', Protium) vom Sekundär- zum
Primärkreislauf, die eine Korrosion der Graphitelemente im Reaktorcore bewirken würde [1].
Zusätzlich wirken sie auch als Barriere gegen die Permeation des radioaktiven Wasserstoffisotops
Tritium (H* oder T) vom Primär- zum Sekundärkreislauf, die zu einer unerwünschten Umweltbela-
stung führen kann [2].
Nach Einsatztemperaturen bis 950°C bestehen die Deckschichten vorzugsweise aus Cr,O, und ver-
schiedenen Spinellen, z.B. Cr,(Mn,Fe)O, und oberhalb von 950°C aus Al,O,. Aufgrund geringer
Fehlordnung wachsen diese Oxide sehr langsam. Wegen ihrer thermodynamischen Stabilität über-
oder unterwachsen sie andere schnellwachsende Oxide oder Sulfide und unterdrücken unter günsti-
gen Bedingungen deren Bildung [3]. Sowohl Chromoxid- als auch Aluminium-Oxid-Schichten
stellen wirksame Schutzschichten gegen die sulfidische Korrosion dar [4-5].
2. Problemstellung
In dieser Untersuchung wurden Oxiddeckschichten, die in verschiedenen wasserdampfhaltigen
Atmosphären und nach dem sogenannten Standardverfahren gewachsen sind, mittels der Deute-
rium-Permeation auf ihre Beständigkeit in oxidierend/sulfidierender Atmosphäre getestet. In der für
- diese Experimente aufgebauten DEUterium-PERMeationsanlage-Schwefel (DEUPERM-S) wird
in unter Vakuum-Bedingungen die Permeation von Wasserstoff (Deuterium) durch blanke und oxidbe-
schichtete Werkstoffe bestimmt [6]. Der Einfluß von Schwefel auf die Permeation wurde ebenfalls
untersucht. Permeationsmessungen wurden deshalb zuerst an blanken Proben unter reiner H,/H,O-
Atmosphäre und danach mit Schwefel versetzter H,/H,O/H,S-Atmosphäre durchgeführt.
Struktur, Zusammensetzung und Haftung der Oxidschicht auf dem Grundwerkstoff bestimmen die
Hemmwirkung und die Temperaturwechselbeständigkeit. Deshalb ist der Einfluß von Schwefel, die
Wirkung einer vorherigen Titan-Beschichtung der Oberfläche auf den Aufbau und der Nachweis
einer eventuell vorhandenen Korngrenzenkorrosion des Grundwerkstoffs von hohem Interesse. Der
Grenzfläche in der Kontaktzone Werkstoff-Oxidschicht kommt dabei eine überragende Bedeutung
A
3. Probenmaterial
Als Versuchsmaterial wurden Proben der Hochtemperaturlegierungen Incoloy 800 H, Hastelloy X
und eine pulvermetallurgisch hergestellte Modellegierung Ni-Cr/75-25 verwendet. Die Massezu-
sammensetzung der untersuchten Legierungen ist in Tab. _1 wiedergegeben.
