Elementary Mechanisms During the Early Stages of Scale Formation on Single Crystalline Co- and Ni-base Superalloys at High Temperatures

Excellent resistance against oxide scale formation is essential for the application of newly designed alloys at high temperatures. Therefore, the detailed understanding of oxidation processes is crucial for the successful design of new materials for application. In the course of the present thesis, oxide scale formation on single-crystalline, ?'-strengthened Co- and Ni-base model alloys was investigated. Results derived by classical thermogravimetry and sequential exposure to ¹6/¹8O2 were supplemented by various sophisticated, surface analytical techniques. The impact of the two-phase microstructure during the early stages of scale formation could be demonstrated by high-resolution transmission electron microscopy for the ternary Co-Al-W system. Kinetic processes during high-temperature oxidation of ternary model alloys were investigated depending on the W content between 800 and 900 °C. Furthermore, the role of base elements (Co or Ni) was elucidated with the help of another single-crystalline model alloy series. The development of diffusion-limiting barrier layers as well as the formation of unwanted phases could be directly correlated to the Co/Ni ratio in the alloy. Two-stage tracer exchange experiments in ¹6/¹8O2-containing atmospheres were conducted to investigate the transport of reactants through growing oxide scales. Besides counter-current transport of cations and anions along different paths also the development of pores and microchannels was confirmed by the selected experimental approach. Hohe Beständigkeit gegenüber thermischer Oxidation ist unabdingbar für den erfolgreichen Einsatz von Strukturmaterialien bei hohen Temperaturen. Detailliertes Verständnis komplexer Prozesse während der des Oxidwachstums ist demzufolge unabdingbar für die Entwicklung neuer Hochtemperaturlegierungen. Die vorliegende Arbeit diente der Ergründung von Elementarmechanismen der Oxidschichtbildung auf ?'-gehärteten, einkristallinen Modelllegierungen. Thermogravimetrie als klassischer experimenteller Ansatz der Oxidationsforschung wurde mit hochauflösenden Analysemethoden ergänzt. Anhand von ternären Modellsystemen wurde die Rolle der zweiphasigen Mikrostruktur während der Frühphase der Oxidation nachgewiesen. Untersuchung zur Entstehung mehrlagiger Oxidschichten und deren Aufbau bildet einen zentralen Teil der Arbeit. Abhängig vom W-Gehalt wurden kinetische Prozesse der Hochtemperaturoxidation für die ausgewählten Legierungen zwischen 800 und 900 °C im Detail untersucht. Darüber hinaus zeigen systematischen Untersuchungen der Oxidationseigenschaften einer weiteren Serie von Modelllegierungen die Abhängigkeit der Reaktionskinetik vom Basiselement (Co oder Ni). Die Entstehung diffusions-limitierender Oxidlagen sowie die Neigung zur Bildung von Fremdphasen konnte direkt mit dem Co/Ni-Verhältnis der Proben korreliert werden. Außerdem wurde der Materialtransport durch Oxidschichten, mit dezidierten Oxidationsexperimenten, in sequenzieller ¹6/¹8O2-Atmosphäre untersucht. Entgegengesetzter Transport von Kationen und Anionen durch die äußeren Oxidschicht entlang unterschiedlicher Pfade konnte belegt werden.