Degradations- und Schutzphänomene von hochlegierten Fe-Cr-Legierungen in heißen, multi-Komponenten Gassystemen
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt zielte auf ein grundlegendes Verständnis der feuerbedingten Degradation von Kessel- und Wärmetauschermaterialien ab, die für Biomasse- und Mitverbrennungskraftwerke relevant sind. Insbesondere im Zuge der Energiewende in Deutschland führt die Umstellung von Stein- oder Braunkohlefeuerung in Kraftwerken auf den Einsatz von Biomasse wie Holz oder Stroh zu ernsthaften Problemen in Bezug auf Korrosion und begrenzt die Betriebstemperatur solcher Anlagen. Der Hauptgrund ist die unterschiedliche Chemie der Biomasse. Neben den Hauptbestandteilen Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff sind die Aschen dieser Brennstoffe reich an Ca, Si, Mg und K und anderen anorganischen Elementen wie Cl, P, S. Die Alkalimetalle liegen hauptsächlich in Form von Salzen und Chlor vor und gehen sofort in die Gasphase über, wobei sie KCl und HCl bilden, was zu einer aggressiven Korrosion der verwendeten Werkstoffe führt. Die Schädigungsprozesse der eingesetzten Legierungen werden durch komplexe physikalisch-chemische Wechselwirkungen an den Grenz- und Oberflächen zwischen den Werkstoffen, den Ablagerungen (Asche aus der Verbrennung von Biomasse) und der heißen Gasphase angetrieben. Viele Einzelprozesse zum Verständnis dieser komplexen Schadensreaktionen sind bereits bekannt, wie z.B. die Aktivchlorkorrosion. Spezifische Details zur Bildung von Schutzschichten oder Bedingungen, die den Korrosionsprozess beschleunigen, sind jedoch nicht bekannt. Das vorliegende Projekt befasste sich hauptsächlich mit der Untersuchung der Anfangsstadien der Degradation, die in der jeweiligen Umgebung beobachtet werden, in der sie auftreten (in-situ). Das Projekt verfolgte die folgenden Ziele: Identifizierung der thermodynamischen und kinetischen Randbedingungen für die Bildung von schützenden und schädigenden Korrosionsprodukten. • Kinetik der Keimbildung und des Wachstums von Reaktionsprodukten in einem frühen Stadium der Korrosion. • Identifizierung von reaktiven Transportwegen innerhalb dünner Schichten über Gitterdefekte (Korngrenzen, Punktdefekte). Um Einblicke in die Korrosionsmechanismen zu gewinnen, wurden Modelllegierungen (Fe- 13Cr; Fe-18Cr-12Ni; Fe-25Cr-20Ni) als Analoga zu kommerziellen Stählen für Kesselrohre verwendet: X20, TP 347H und H3RC. Ni ist in diesen Legierungen hauptsächlich zur Stabilisierung einer austenitischen Struktur enthalten. Daher wiesen alle Ni enthaltenden Legierungen zwei Phasen auf (ferritisch - austenitisch). Das Projekt war in drei Arbeitspakete gegliedert, die die grundlegende Analyse der Legierungen ohne KCl in SO2-haltiger Atmosphäre und mit KCl sowie die Verfolgung der Anfangsreaktionen und des Einflusses der Feuchtigkeit durch die Kombination von Korrosionsexperimenten mit Röntgenbeugung am Synchrotron umfassten. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Legierungen in der reaktiven Hochtemperaturumgebung schützende Oxidschichten bildeten, wenn die Oberflächen nicht mit KCl bedeckt waren. Mit KCl wurden hingegen starke Korrosionserscheinungen beobachtet. Außerdem wurde nachgewiesen, dass der Ni-Gehalt in der Legierung zu einer Ni-Anreicherung und einer großen inneren Korrosionszone führt. Es gelang, die Anfangsstadien der Korrosion der mit KCl beschichteten Modelllegierungen in trockener und feuchter Atmosphäre bei hohen Temperaturen durch Röntgenbeugung während der Korrosionsexperimente zu verfolgen. In allen Fällen reagierten die Legierungen innerhalb der ersten 100 Minuten des Experiments mit dem KCl und es bildeten sich Metalloxide. Insgesamt hat die Anwesenheit von KCl einen starken Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit, wobei höher legierte Legierungen (hoher Crund Ni-Gehalt) schlechter abschnitten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Corrosion of high alloyed steels in hot, multicomponent gas atmospheres. Poster bei der virtuellen Tagung der Deutschen Mineralogischen Gesellschaft (DMG)
Kingsbery, P. & Stephan-Scherb, C.
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Korrosions – und Schutzmechanismen von hochlegierten Fe-Cr Stählen in heißen, mehrkomponentigen Gasatmosphären. Vortrag beim Sektionstreffen der Sektionen „Angewandte Mineralogie“ und „Kristallographie“ der „Deutschen Mineralogischen Gesellschaft“ in Bad Windsheim vom 11.03.- 13.03.2020
Kingsbery, P. & Stephan-Scherb, C.
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Effect of KCl deposits in high‐temperature corrosion on chromium‐rich steels in SO2‐containing atmosphere. Materials and Corrosion, 73(5), 758-770.
Kingsbery, Phillip & Stephan‐Scherb, Christiane
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High‐temperature KCl‐induced corrosion of high Cr and Ni alloys investigated by in‐situ diffraction. Materials and Corrosion, 75(10), 1272-1281.
Kingsbery, Phillip; Manzoni, Anna M.; Ocaño, P. Suarez; Többens, D. M. & Stephan‐Scherb, C.
