Nondestructive Identification of Internal <i>α</i>-alumina Scales on Heat-resistant Ni–Al Alloys Based on Cathodoluminescence Spectra

Abstract

Identifying internal α-alumina (α-Al 2 O 3 ) scales is critical for evaluating the performance of heat-resistant Ni-Al alloys. This study investigated the possibility of using cathodoluminescence (CL) spectra of the alloy surface for nondestructive identification of internal α-Al 2 O 3 scales underneath multiple other scales. The presence of internal α-Al 2 O 3 scales on a heat-treated Ni-14Al alloy was confirmed by the detection of a CL peak at 695 nm. The scales of this alloy comprised NiO on top followed by NiAl 2 O 4 underneath and α-Al 2 O 3 at the bottom with thicknesses of 1.1, 0.8, and 0.5 μm, respectively. The intensity of the CL peak at 695 nm was close to the minimum detectable analyte signal intensity. These results demonstrate that surface CL spectra can be used for the nondestructive identification of internal α-Al 2 O 3 scales on Ni-Al alloys that are underneath multiple other scales.

Rapid Identification of Crystal Structure of Alumina Scale on Heat-resistant Alloy

“…1. 諸言 耐熱合金は航空機，発電用ガスタービン，化学プラント，ボイラなどに使用されている産業上 重要な材料である [1][2][3][4][5][6][7] ．耐熱合金が使用されている高温腐食環境下では，その表面に熱力学的に安 定で融点が高い α-Al2O3, Cr2O3 あるいは SiO2 の緻密で均一な被膜(スケール)が形成されることで， 耐熱合金のさらなる高温腐食の進行を防ぐ 1,6,8) ．これらの被膜中で，α-Al2O3 は高温腐食に対して 最も安定であるので，α-Al2O3 を形成する合金は，900 °C を超える厳しい環境下で使用される 3,5,7,9,10) ．α-Al2O3 を形成する合金は、1200 °C 以下では，α-Al2O3 が形成される前に θ-Al2O3 やg-Al2O3 といった準安定相が酸化初期に形成される．これは，α-Al2O3 の成長速度が θ-Al2O3 やg-Al2O3 より も小さいためで，例えば，900 °C では，α-Al2O3 の成長速度は θ-Al2O3 やg-Al2O3 より 2 桁程度小さ い 4,6,[11][12][13] ．この成長速度の違いが原因で，Al2O3 の結晶構造が異なると，被膜の形態が異なる．α-Al2O3 は成長速度が小さいために，緻密な被膜を形成する．一方，θ-Al2O3 やg-Al2O3 は成長速度が 大きいために，針状あるいはウイスカー状の被膜を形成する 4,6,[11][12][13][14][15] 16,26,40) 22,25) を考慮すると，…”