Radiotracer studies of carbon permeation through oxide scales on commercial high temperature alloys and model alloys

Abstract

Chromia-and alumina-forming commercial high temperature alloys and model alloys were preoxidized at 900 or 1OOO"C in Hz-HzO at a low oxygen potential. The oxide layers were characterized by different methods.The carbon permeation through the oxide layers was studied by exposing the preoxidized specimens to an atmosphere CO-COz-Hz-HzO, tagged with radiocarbon, for long time. The carbon was detected by stepwise polishing and measuring the radioactivity. A slow carbon ingress occurs through chromia layers, differences in the protection by the oxide scale could be tested by the radiotracer method for the different alloys. The alumina layer on Fe-6Al is not protective, but no carbon ingress could be detected for an alloy Fe-6A1-0.5Ti. Autoradiography, AES and X-ray structure analysis showed the presence of Ti(0,C) beneath the outer AlZO3-layer. The oxicarbide improves the nucleation and adherence of the Alz03 and prohibits the carbon penetration.The results were confirmed by gravimetric experiments, after preoxidation samples were exposed to CO-CO2-Hz-HZ0 at high carbon activity (ac = 1.02), carburization and graphite deposition were retarded or prohibited by dense and well adherent oxide layers.Gebrauchliche Hochtemperaturlegierungen und Modellegierungen, die Chromoxid-oder Aluminiumoxid-Schichten bilden, wurden bei 900 oder 10o0"C in H2-Hz0 bei niedrigem Sauerstoffdruck voroxidiert. Die Oxidschichten wurden mit verschiedenen Methoden charakterisiert.Die Kohlenstoffpermeation durch die Oxidschichten wurden untersucht, indem die voroxidierten Proben langzeitig einer mit radioaktivem Kohlenstoff indizierten CO-COz-Hz-H20-Atmosphare ausgesetzt wurden. Der aufgenommene Kohlenstoff wurde nachgewiesen durch die Radioaktivitatsmessung bei schrittweiser Abtragung durch Lappen. Durch die Cr203-Schichten erfolgt eine langsame Kohlenstoffaufnahmedie radioaktive Methode erlaubt es, die Unterschiede der schiitzenden Wirkung von Oxidschichten auf den verschiedenen Legierungen zu bestimmen.Die AlzO,-Schicht auf Fe-6%Al wirkt nicht schiitzend, aber bei der Legierung Fe-6%Al-O,5%Ti konnte iiberhaupt keine Kohlenstoffaufnahme festgestellt werden. Autoradiographie, AES und Rontgenstrukturanalyse zeigten, daS unterhalb der auBeren AlzO,-Schicht Ti(0,C) vorliegt. Dieses Oxicarbid verbessert die Keimbildung und Adhasion des A1203 und verhindert das Eindringen von Kohlenstoff.Die Ergebnisse wurden noch durch gravimetrische Experimente bestatigt. Die gleichen voroxidierten Legierungen wurden einer stark aufkohlenden CO-C02-Hz-H20 Atmosphare bei hoher Kohlenstoffaktivitat (k = 1,02) ausgesetztdie Aufkohlung und Graphitabscheidung war gehemmt oder verhindert bei Bildung dichter und gut haftender Oxidschichten.

The challenge in understanding the corrosion mechanisms under oxyfuel combustion conditions

“…The maximum carburization depth was observed for alloys containing 11% Cr (McCoy, 1965;Martin and Weir, 1965;Young, 2007). Grabke et al (1983) concluded that carbon containing molecules (CO, CO 2 and CH 4 ) are transport vehicles for carbon. Cracks, voids and defects in the scale are transport routes.…”

Recent advances in understanding metal dusting: A review

“…It has been shown [93] that radiotracer carbon in a CO/CO 2 /H 2 /H 2 O gas mixture slowly permeated scales on pre-oxidised Fe-Cr alloys. Even on pure chromium, an apparently dense oxide scale grown in CO/CO 2 gas was found to transmit carbon, forming chromium carbide beneath the oxide [94].…”

High temperature corrosion of cast heat resisting steels in CO+CO2 gas mixtures

“…Ideally, the scale is impermeable to carbon, and the alloy is protected against carburisation. Although Cr 2 O 3 has negligible solubility for carbon [21], Grabke et al [22] have shown that chromia scales do transmit carbon. Furthermore, it appears from experiments conducted in mixed gases [23] that the carbon permeability of chromia scales depends on gas composition.…”