Design and mechanical construction of a hot-corrosion testing system

Abstract

Hot corrosion is a pressing issue in post-combustion sections of jet engines, where turbine elements suffer from accelerated corrosion in the presence of salt-deposits in SOx-rich at-mospheres. Depending on the temperature, two types of hot corrosion mechanisms have been identified throughout the past: A low temperature hot corrosion process (LTHC, 600-850°C), and a high temperature hot corrosion type (HTHC, 750 950°C). Depending on the temperature range, the salt that deposits on the material surfaces may be present in a molten or solid state, which ultimately dictates the corrosive mechanism of the material components. In order to lower maintenance and repair costs for affected component surfaces, novel materials with superior corrosion behavior against hot corrosion are in great demand. In this regard, this thesis presents the conceptualization and construction of a Corrosion Oven for Research and technical Applications (CORA), capable of simulating hot corrosion environments as found in industrial high temperature applications. CORA was designed in three main segments: gas mixing system, reaction chamber, and gas analysis system. The composition of the corrosive atmosphere inside the reaction chamber was calibrated and controlled using three separate mass flow controllers with ranges of 5000, 500, and 10 sccm designated for Ar, SO2 and O2, respectively. A consistent atmosphere of 2.5 sccm (SO2), 375 sccm (O2) and 2125 sccm (Ar) was maintained throughout all corrosion experiment, which is equivalent to 1000 ppm SO2 - a typical concentration often found in flue gases. A horizontal tube furnace with a quartz tube reactor was implemented, as the reaction chamber. In order to accommodate experimental conditions that support both LTHC and HTHC mechanisms, a furnace capable of reaching 1100°C was chosen. Furthermore, three independently working heating elements were calibrated, for an optimized control of the reaction conditions within the quartz-reactor. Lastly, an analytical module was installed for analyzing and providing crucial information about the gas atmosphere within the reaction chamber (SO3/SO2 Determination, EPA-Method 8). In order to evaluate the functionality and reliability of CORA, IN718 and austenitic steel, as well as Ti0.51Al0.49N and Cr0.9Si0.1 PVD coated austenitic steel substrates were tested. At an atmosphere of 1000 ppm SO2, an oxygen equivalence of 150:1 and a flow rate of 1 m/min inside the quartz-reactor, the samples were corroded for 1 hour at 650°C and 850°C. In order to evaluate the aggressive salt induced corrosion effect, all experiments included both, samples with Na2SO4/NaCl (30/70 mol.%) deposits, and without salt deposits. In oder to investigate the corrosive attack, analytical methods, such as XRD (X-ray diffraction), SEM (scanning electron microscopy) and EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) were utilized. Results showed that none of the material systems exhibited noticeable corrosion resistance for test conditions involving the salt slag deposits at HTHC (850°C). All experiments featured accelerated deterioration of the surface (involving coating as well as bulk), where porous oxide scale development and metal sulfide formation was observed. For corrosion experiments involving salt deposits at LTHC conditions (650°C), only the Ti0.51Al0.49N and Cr0.9Si0.1 coatings showed superior corrosion behavior, while the uncoated IN718 and austenite samples continued to feature devastating deterioration. For tests in absence of Na2SO4/NaCl deposits, all samples of interest exhibited substantial protection against the SOx-rich atmosphere. In the case of IN718, formations of chromium oxide scales and mixed iron-nickel oxides provided good protection and significantly slowed down further oxidation of the material below. For austenite, a combination of iron oxide, iron-chromium oxide and manganese oxide also proved effective in hampering further oxidation in SOx rich atmosphere, however a slightly inferior protective behavior compared to IN718 was noticed. In summary, CORA has shown to be an effective tool in providing highly aggressive HC conditions on a laboratory scale. Moreover, CORA has provided valuable first insights to the overall potential of PVD protective coatings as a strategic approach against hot corrosion.

In dieser Arbeit wird die Konzeptionierung und der Aufbau einer Heißgaskorrosionsanlage beschrieben. Das Konzept der Anlage wird von Grund auf dargestellt und alle wesentlichen Designkriterien erklärt. Heißgaskorrosion spielt in vielen technischen Anwendungen eine große Rolle, welche oftmals mit erheblichen Kosten verbunden sind. Der Korrosionsprozess wird durch SO3 und Salzablagerungen an den Oberflächen der belasteten Komponenten vorangetrieben. Hohes Resistenzvermögen gegen diesen korrosiven Angriff wird PVD-Beschichtungen (Physical Vapor Deposition) zugesprochen. Um diese Beschichtungen im kleinen Maßstab testen zu können, wird ein Prüfstand, der reale Bedingungen emulieren kann, benötigt. Für den Korrosionsprozess notwendige Gase wie Sauerstoff (O2) und Schwefeldioxid (SO2) werden mittels Massenflussregler justiert und einem zylindrischen Strömungsofen aus Quarzglas zugeführt. Als Trägergas wird Argon verwendet, welches ebenfalls reguliert werden kann. Im Ofen wird mittels eines Fe2O3-Katalysators die Oxidation von SO2 zu Schwefeltrioxid (SO3) vorangetrieben. Eine Salzmischung aus Natriumsulfat und Natriumchlorid wird auf die zu korrodierende Substratfläche aufgebracht, welche im Korrosionsprozess mit der SO3 haltigen Atmosphäre reagieren. Um den Gehalt an SO3 in der Atmosphäre zu bestimmen, wurde eine Abgasanalyse mit verschiedenen Gaswäschern nach dem Ofen eingegliedert. Nach den einzelnen Tests wurden die Flüssigkeiten in den Wäschern mittels einer Barium-Thorin-Titration analysiert. Bei diversen Korrosionstests an unbeschichteten, sowie beschichteten Proben wurden die Testparameter so optimiert, dass Heißgaskorrosion an Turbinenkomponenten widergespiegelt wird. Ziel dieser Arbeit ist es nicht, die perfekte Beschichtung gegen Heißgaskorrosion zu finden, sondern zu zeigen, dass diese Korrosionsform auch im Labormaßstab abbildbar ist. Erste Versuche wurden an Proben aus INCONEL 718 und austenitischen Stahl, ebenso wie Beschichtungen aus Ti0.51Al0.49N und Cr0.9Si0.1 auf austenitischem Stahl bei 650°C und 850°C f ̈ur eine Stunde bei einem Sauerstoff-SO2-Verhältnis von 150:1 durchgeführt. Um die Ergebnisse aus den Korrosionstests mit korrodierten Komponenten aus Industrieanlagen vergleichen zu können, wurden diese mittels XRD (X-ray diffraction), SEM (scanning electron microscope) und EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) im Detail untersucht.Die beiden Beschichtungen Ti0.51Al0.49N und Cr0.9Si0.1 zeigen, speziell bei 650°C, verbesserten Korrosionsschutz. Verglichen damit, haben die unbeschichteten Substrate keine Beständigkeit gegen Heißgaskorrosion in Anwesenheit von Salzen und der Angriff große Teile des Substrates zerstört hat. Bei höheren Temperaturen (850°C) können die Schichten dem Korrosionsangriff nicht mehr widerstehen, was zu einem Angriff der Grundmaterialien führt. Dies wird vor allem dadurch bestätigt, dass sich ähnliche Testergebnisse bei unbeschichteten und beschichteten Proben einstellen und kaum Bestandteile der Schichten in der Analyse nachgewiesen werden können. Es bilden sich poröse Korrosionsprodukte, welche aus komplexen Metalloxiden-und -sulfiden bestehen und sich an den Oberflächen ablagern. Zusätzlich dazu kommt es zu Oxidation und Sulfidierung bis tief ins Material hinein.Die zuvor beschriebenen Korrosionsmerkmale können ebenfalls bei Industrieanlagen beobachtet werden. Die konstruierte Heißgaskorrosionsanlage ermöglicht daher eine effiziente Erprobung von diversen Materialien im Labormaßstab und legt den Grundstein für die Weiterentwicklung von PVD-Schichtsystemen in Hochtemperaturanwendungen.