Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hochtemperaturoxidationsschutz für Nickelwerkstoffe durch Fluorimplantation

Das Ziel des Projekts ist eine Weiterentwicklung einfacher technischer Nickellegierungen, die durch Fluorimplantation eine Schutzwirkung über den Fluoreffekt bei Hochtemperaturexposition erhalten. Der Fluoreffekt bewirkt die Bildung einer schützenden Aluminiumoxidschicht (Al2O3) auch auf technischen Legierungen, deren Aluminiumgehalt zur Bildung dieser Schutzschicht nicht ausreicht. Die beeinflusste Zone soll möglichst dünn gehalten werden, um die Eigenschaften des Substrats nicht negativ zu beeinflussen. Von technischen TiAl-Legierungen ist dieser sogenannte Fluoreffekt bekannt, Die Schichten werden hierbei über einen Gasphasentransport generiert. Der Effekt wurde auch für bestimmte Ni-Legierungen zumindest unter Laborbedingungen für kürzere Auslagerungszeiten nachgewiesen. In dem beantragten Projekt soll der Effekt nun für länger dauernde technische Anwendungen optimiert werden, was die Einsatzmöglichkeiten dieser einfachen, kostengünstigen Nickellegierungen deutlich erhöht. Dies bedeutet zusätzliche Absatzmärkte für die entsprechenden Hersteller dieser Legierungen. Weiterhin führt die Optimierung des Fluoreffekts schließlich zu sehr leistungsfähigen Hochtemperaturschutzschichten, was den entsprechenden deutschen KMU der Oberflächentechnik einen deutlichen Wettbewerbsvorteil verschafft, da der Fluoreffekt auf Nickellegierungen dort nicht untersucht wird.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projekts war die deutliche Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit technischer Ni-Legierungen bei einem Einsatz in oxidierenden Hochtemperaturatmosphären über den sogenannten Fluoreffekt und die Eruierung der dafür nötigen Mindestmenge an Aluminium in technischen Nickellegierungen mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten für einen positiven Fluoreffekt. Hierzu wurden Proben der unterschiedlichen Legierungen mit Fluor sowohl mit den Beamline-Ionen-Implantation- (BLI²) als auch dem Plasma-Immersion-Ionen-Implantation- (PI³) Verfahren implantiert. Die unbehandelten und behandelten Proben der verschiedenen Legierungen wurden im Temperaturbereich von 900°C bis 1000°C an Luft isotherm und thermozyklisch ausgelagert und deren Oxidationsverhalten analysiert.

Die unbehandelten Materialien weisen nach Hochtemperaturexposition an Luft die Bildung einer äußeren chromreichen Mischoxidschicht auf, unter der sich lokal nach innen gerichtet Aluminiumoxid findet. So ein Schichtaufbau gewährleistet keinen langandauernden Oxidationsschutz, was besonders in wasserdampfhaltigen Atmosphären schon ab ca. 650 °C durch die Reaktion von Chromoxid mit dem Wasserdampf bedeutsam werden kann.

Nach Implantation beträgt die Breite der beeinflussten Oberflächenrandzone ca. 100 nm. Diese dünne Zone beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Materialien nicht. Aber es zeigt sich ein unterschiedliches Bild im Oxidationsverhalten der Legierungen. Die Legierungen mit einem Aluminiumgehalt von ≤ 2,5 Gew.-% zeigen keine Veränderung im Oxidationsverhalten (z.B. Alloy 617). Bei den Legierungen mit einem Al-Gehalt von > 3 Gew.-% dagegen wird Aluminiumoxidschutzschichtbildung beobachtet. Hier hat sich nach Auslagerung bei 900°C eine äußere Al2O3-Schicht gebildet, die ein entsprechendes Bauteil gegenüber aggressiven Atmosphären zu schützen vermag. Somit wurde die nötige Al-Menge in den Ni-Legierungen bestimmt und der Oxidationsschutz nach optimierter Implantation deutlich verbessert.