The influence of alloying elements on the chlorine‐induced high temperature corrosion of Fe‐Cr alloys in oxidizing atmospheres

The effect of the alloying elements Al, Cr, Mn, Mo, Si and Ti on the corrosion behaviour of ferritic Fe-15Cr model alloys was studied in a N2/He-5 vol.% O2 gas mixture with and without additions of 500–1500 vppm HCl at 600°C. The main corrosion mechanism is “active oxidation”, characterized by the formation of volatile metal chlorides at the metal/oxide interface. Volatilization and subsequent conversion of the chlorides into oxides results in the formation of porous and poorly adherent oxide scales. Large mass gains were observed for Fe-15Cr, Fe-35Cr and Fe-15Cr with additions of 5 wt.% Ti, 10 wt.% Mn or 10 wt.% Mo. The specific morphology of the corrosion products depends strongly on the alloying elements. For the Fe-Cr alloys, a model for the formation of the scales, which are characterized by alternating dense and porous layers, is presented. The addition of 5 wt.% Si or Al to Fe-15Cr leads to much better corrosion resistance by the formation of protective Cr2O3/Al2O3-layers, however in the case of Al addition the behaviour depends strongly on the experimental conditions, as surface treatment and flow velocity. In Fe-15Cr-10Mo preferential removal of the more reactive metals Fe and Cr was observed resulting in a Mo-enriched porous metal zone underneath the metal-oxide interface. The effect of carbon on the corrosion behaviour was examined by addition of 0.3–0.8 wt.% C to the model alloys. Cr-rich M23C6-carbides were attacked preferentially while Mo-rich M6C-carbides are very stable relative to the matrix and the attack occurs in regions surrounding the carbides. Der Einflus von Legierungselementen auf die chlorinduzierte Hochtemperaturkorrosion von Fe-Cr-Legierungen in oxidierender Atmosphare Der Einflus der Legierungselemente Al, Cr, Mn, Mo, Si und Ti auf das Korrosionsverhalten ferritischer Fe-15Cr-Modellegierungen wurde in einer N2/He-5 vol.% O2 Gasmischung mit und ohne Zusatz von 500–1500 vppm HCl bei 600°C untersucht. Der wesentliche Korrosionsmechanismus ist die „aktive Oxidation“, bei der sich fluchtige Metallchloride an der Metall/Oxid-Grenzflache bilden. Verdampfen und anschliesende Umsetzung der Chloride in Oxide fuhrt zu porosen und schlecht haftenden Oxidschichten. Hohe Massenzunahmen wurden beobachtet bei Fe-15Cr, Fe-35Cr und Fe-15Cr mit Zusatzen von 5 gew.% Ti, 10 gew.% Mn oder 10 gew.% Mo. Die spezifische Morphologie der gebildeten Oxidschichten hangt stark von den jeweiligen Legierungselementen ab. Im Falle der Fe-Cr Legierungen wird ein Modell fur die Bildung der Oxidschichten, die aus abwechselnd kompakten und porosen Schichten bestehen, vorgestellt. Der Zusatz von 5 gew.% Si oder Al fuhrt zu stark verbesserten Korrosionswiderstanden durch die Bildung von schutzenden Cr2O3/Al2O3-Schichten; im Falle des Aluminiums ist dies allerdings kritisch abhangig von den experimentellen Bedingungen, wie Oberflachenbearbeitung und Stromungsgeschwindigkeit. Bei Fe-15Cr-10Mo wird eine bevorzugte Reaktion der reaktiveren Metalle Fe und Cr beobachtet, was zu einer Mo-angereicherten porosen Metallzone unterhalb der Metall/Oxid-Grenzflache fuhrt. Der Effekt von Kohlenstoff auf das Korrosionsverhalten wurde durch Zulegieren von 0,3–0,8 gew.% C zu den Modellegierungen untersucht. Cr-reiche M23C6-Karbide werden relativ zur Matrix bevorzugt angegriffen, wahrend Mo-reiche M6C-Karbide sehr bestandig sind und der Angriff bevorzugt in den umgebenden Metallbereichen erfolgt.