Effect of Zr addition on alumina scale formation during oxidation of high purity FeCrAlY-alloy

Effet de l’addition de Zr sur la formation de la couche d’alumine lors de l’oxydation d’un alliage FeCrAlY de haute pureté

¹ Forschungszentrum Jülich GmbH (IWV 2), D-52425 Jülich, Germany
² Ecole des Mines de Saint-Etienne, S M S, UMR CNRS 5146, 42023 Saint-Etienne cedex 2, France

Abstract

Additions of reactive elements (Y, Zr, La, Ce, Hf, etc.) modify the high temperature oxidation performance of alumina-forming alloys by improving the scale adhesion, changing the scale growth mechanism and oxidation kinetics. The RE-effect has been commonly studied on model alloys containing only one RE. In contrast, commercial alloys normally contain several RE’s, but in addition a number of impurities unavoidable in the large scale production. This causes difficulties in attributing the observed effects to a particular RE. In this work the effect of Zr on oxidation of FeCrAlY-alloys has been studied using high purity model materials. The oxidation kinetics obtained during thermogravimetric experiments are complemented by extensive characterisation studies of the oxidised specimens. The results show that during high temperature exposure Zr rapidly diffuses into the oxide scale. Upon its incorporation into the scale, Zr changes the oxide microstructure and phase composition resulting in an improved scale spallation resistance and consequently in alloy lifetime extension.

Résumé

Les additions d’éléments réactifs (Y, Zr, La, Ce, Hf, etc.) modifient la tenue à l’oxydation à haute température des alliages aluminoformeurs, en améliorant l’adhésion de la couche, changeant le mécanisme de croissance et la cinétique d’oxydation. L’effet des ER a été étudié à l’aide d’alliages modèles contenant un seul ER. Par contre, les alliages commerciaux contiennent plusieurs ER, avec en plus de nombreuses impuretés inévitables dans la production à grande échelle. De ce fait, il est très difficile d’attribuer un effet observé à un ER particulier. Dans le présent travail, l’effet de Zr sur l’oxydation d’alliages FeCrAlY a été étudié en utilisant des matériaux modèles de haute pureté. Les cinétiques d’oxydation obtenues par thermogravimétrie sont complétées par une caractérisation détaillée des échantillons oxydés. On voit que, pendant l’exposition à haute température, Zr diffuse rapidement dans la couche d’oxyde. Par son incorporation dans la couche, Zr change la microstructure et la répartition des phases de l’oxyde, améliorant la résistance à l’écaillage et donc la durée de vie de l’alliage.