Korrosionsverhalten von Gasturbinenwerkstoffen unter strömenden Heißgasbedingungen

Die Neuentwicklung von Nickelbasissuperlegierungen für die fliegende und stationäre Gasturbine verfolgt das Ziel einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, um die Metalltemperatur erhöhen zu können und damit den Wirkungsgrad anzuheben, die Emissionen zu vermindern und den Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Bei einer solchen Werkstoffentwicklung darf jedoch die Weiterentwicklung der Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit nicht vernachlässigt werden. Zusätzlich zu den heute bereits üblichen zyklischen und isothermen Korrosionsversuchen, die in Laboröfen durchgeführt wurden, sind die zwei Gasturbinenwerkstoffe Nicrotan® 6325 hAlC (alloy 2100 GT) und Nicrofer 5120 CoTi (alloy C‐263) auf einem burner‐rig‐Prüfstand unter strömenden Heißgasbedingungen untersucht worden. Bei diesem Prüfstand trifft ein Heißgasstrom aus verbranntem Erdgas mit Gasgeschwindigkeiten zwischen 60 m/s und 150 m/s auf die Probe. Die hierdurch erreichten Materialtemperaturen liegen zwischen 900°C und 1200°C. Die Proben wurden in den hier vorgestellten Versuchen bei einer Temperatur von 1000°C dem Heißgasstrom für 1 h bzw. 10 h ausgesetzt. Die Gasgeschwindigkeiten betrugen 60 m/s, 100 m/s bzw. 140 m/s. Bei einer Stunde Versuchsdauer nahmen beide Werkstoffe noch an Masse zu, wobei Nicrofer 5120 CoTi bei allen Gasgeschwindigkeiten einen deutlich höheren Massenzuwachs zeigte. Bei 10 h Versuchsdauer stiegen die Masseverluste bei Nicrofer 5120 CoTi mit steigender Gasgeschwindigkeit an. Bei Nicrotan® 6325 hAlC läßt sich ein Massenverlust erst bei der höchsten Gasgeschwindigkeit verzeichnen. In der metallographischen und rasterelektronenmikroskopischen Nachuntersuchung der Proben wurde gefunden, daß sich auf Nicrotan® 6325 hAlC auch unter strömenden Heißgasbedingungen eine dichte, geschlossene Aluminiumoxidschicht ausbildet und keine innere Oxidation auftritt. Nicrofer 5120 CoTi bildet eine Chromoxid‐/Chrom‐Rutilschicht aus, wobei die Chromoxidschicht bei 10 h Versuchsdauer und höheren Gasgeschwindigkeiten abdampft und nur noch eine Rutilstruktur zurückbleibt. In den zyklischen und isothermen Oxidationsversuchen stellte sich heraus, daß die Oxidationsbeständigkeit von Nicrotan® 6325 hAlC bis zu 1200°C mit Korrosionsgeschwindigkeiten kleiner als 0,1 mm/a außerordentlich gering ist. Der für eine Knetlegierung sehr hohe Aluminiumgehalt von 3 Masse‐% führt zur Bildung einer dichten, dünnen und gut haftenden Aluminiumoxiddeckschicht. Die Vergleichslegierung bildet eine Chromoxiddeckschicht und ist daher ab Temperaturen oberhalb von 1000°C nicht mehr beständig.