High temperature corrosion of FeCr and FeCrAl alloys

Corrosion à haute température d’alliages FeCr et FeCrAl

¹ Laboratoires de Recherches sur la Réactivité des Solides, UMR 5613 CNRS, Dijon, France
² Institut für Metallurgie, Technische Universität Clausthal, Claustha-Zellerfeld, Germany
³ Ecole des Mines, SMS, CNRS URA 1884, Saint-Etienne, France

Abstract

The preparation of model alloys with controlled levels of minor elements, as C or S, is very useful to study the high temperature formation of chromia and alumina scales. The absence of any parasitic influence of classical alloying elements (Si, Mn, Ti, ...) allows to carefully analyse the mechanisms of oxide scale growth. High purity Fe-30Cr and Fe-20Cr-5Al alloys were synthesised and oxidised in air under atmospheric pressure in the temperature range from 900 to 1050°C for the chromia-forming steel and from 1000 to 1200°C for the aluminaforming steel. Oxide scale formation was studied using successive oxidation steps under ¹⁶O₂ and ^l8O₂. The location of ¹⁸O isotope within the pre-formed Cr₂^l6O₃ or A1₂¹⁶O₃ scales enabled an interpretation of the oxide scale growth mechanisms. The introduction of Y₂O₃ or Y in Fe-30Cr and Fe-20Cr-5Al alloys respectively, decreased the oxidation rate and changed the oxide scale growth mechanisms in connection with different oxide scale morphologies on the “doped” materials, giving better protective properties to chromia and alumina scales.

Résumé

L’élaboration d’alliages modèles possédant des teneurs contrôlées d’éléments mineurs, comme le C ou le S, est très utile pour étudier la croissance de couches de chromine ou d’alumine formées à haute température. L’absence d’éventuelles influences parasites des éléments d’alliages classiquement présents dans les matériaux métalliques (Si, Mn, Ti, ...) permet d’analyser attentivement les mécanismes de croissance des couches d’oxydes. Des alliages Fe-30Cr et Fe-20Cr-5Al ont été synthétisés et oxydés sous air à la pression atmosphérique dans la gamme de température 900-1050°C pour l’acier chromino-formeur et dans la gamme 1000-1200°C pour l’acier alumino-formeur. La formation des couches d’oxyde a été étudiée à l’aide d’oxydations successives sous ^l6O₂ et ¹⁸O₂. La localisation de l’isotope ¹⁸O au sein des couches de Cr₂¹⁶O₃ ou de Al₂¹⁶O₃ pré-formées a permis une possible interprétation du mécanisme de croissance de ces couches d’oxydes. L’introduction d’Y₂O₃ ou de Y, dans les alliages Fe-30Cr ou Fe-20Cr-5Al respectivement, a diminué les vitesses d’oxydation et changé les mécanismes de croissances des couches d’oxydes. En conséquence, les morphologies des couches d’oxydes sont différentes sur les matériaux “dopés”, donnant de meilleures propriétés protectrices aux couches d’oxydes formées.