Untersuchung innerer Oxidation von Ni-basierten Legierungen in Heißwasser durch Verknüpfung von sequentieller Auslagerung in (16/18O) Medien mit hochauflösender 3 D Atomsonde-Tomographie

• Antragsteller: Dr. Martin Weiser
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435243707

Ziel dieses Projekts ist die Ergründung elementarer Transportmechanismen während der Korrosion von Metallen in wässrigem Medium durch Etablierung eines neuen, universellen Versuchsansatzes. Bis zum heutigen Tage sind viele Teilprozesse der lokalen Korrosion von passivierten Legierungsoberflächen noch nicht ansatzweise verstanden. Während der Auslagerung in wässrigen Medien bei hoher Temperatur kommt der erhöhten Mobilität von (Legierungs-) Elementen beispielsweise eine besondere Bedeutung zu. Die resultierende Spannungsrisskorrosion hochlegierter Ni-Cr-basierter Legierungen in Heißwasser bleibt eine große Herausforderung. In der Forschung sind zweistufige Oxidationsversuche in sequenziellen 16/18O2 Atmosphären eine elegante Möglichkeit, Massentransport durch mehrlagige Oxidschichten zu untersuchen. Proben werden hierbei zuerst in einer Atmosphäre mit gewöhnlichem Sauerstoff (natürliche Isotopenverteilung) oxidiert. In einem zweiten Schritt wird die Probe in einem Gas, das mit dem stabilen Sauerstoffisotop 18O angereichert wurde, weiteroxidiert. Die Position der relevanten Sauerstoffisotope, in der Schicht, liefert Rückschlüsse auf Diffusionsprozesse von Sauerstoff und Metallkationen. Bisher gibt es nur sehr wenige Studien, die dieses Prinzip auf Experimente in wässrigen Medien übertragen. Erschwert werden derartige Untersuchung durch das limitierte (laterale) Auflösungsvermögen gängiger massenspektrometrischer Analysemethoden. Allerdings können Atomsonde-Tomographie-Messungen genutzt werden um zielpräparierte Probenvolumina (~100 x 100 x 100 nm³) Atom für Atom darzustellen. Mit Hilfe dreidimensionaler Rekonstruktionen der tomographischen Atomsonde-Messungen konnten in den zurückliegenden Jahren beispielsweise Cr-Verarmung an Korngrenzen während interkristalliner Korrosion mit lateraler Auflösung im Sub-Nanometer Bereich charakterisiert werden. Das Projekt strebt die Verknüpfung von sequentiellen Korrosionsexperimenten in wässrigen (16O/18O) Medien mit hochauflösenden 3 D Atomsonde-Tomographie-Messungen an. Die intergranulare Oxidation binärer Ni-xCr (x = 5, 20, 30 at.%) Legierungen in Heißwasser ist ein geeignetes Szenario zur Erprobung des neuartigen Ansatzes, anhand eines in der Literatur bereits umfangreich charakterisierten Modellsystems. Zusätzliche Untersuchungen an der kommerziellen Ni-Cr-Fe Legierung Alloy 600, die ein komplexere Korrosionsverhalten aufweisen werden durchgeführt. Während des Projekts sollen in erster Linie Diffusionswege des Sauerstoffs entlang von heterogenen Grenzflächen und Korngrenzen visualisiert werden. Keine gängige Analysemethode kann Ergebnisse mit vergleichbarer Auflösung erzielen. Darüber hinaus ermöglich der systematisch experimentelle Ansatz neue, detaillierte Erkenntnisse zur Mobilität von Elementen im untersuchten Modellsystem. Ein besseres Verständnis wichtiger Elementarprozesse leistet auf lange Sicht einen essenziellen Beitrag zur Entwicklung und Auslegung neuartiger, korrosionsbeständiger Legierungen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Daniel Schreiber