The trend in modern turbo-engines is toward a continuous increase in turbine inlet temperatures. Increasing the inlet temperature of a gas turbine from 900°C to 1250°C can result in a 30% increase in the energy output of the turbine, with fuel consumption remaining equal. Hot components of gas turbines made by Ni-base superalloys operating in aggressive environments are subjected to a number of different attacks, such as, oxidation, hot corrosion, erosion, sulphidising, chlorination. The use of protective coatings has been a way to remedy these problems for alloys in harsh environments. The coatings nowadays for high temperature applications include mainly diffusion coatings, overlay coatings and thermal barrier coatings (TBC). The protective character of diffusion coatings attributes to the protective nature of the Al2O3, Cr2O3 and SiO2 scale formed respectively on the aluminide, chrominide or silicides at elevated temperatures. Diffusion coatings have first been developed and still are the most used coatings. Aluminide diffusion coatings are proved to be the cost-effective solution for high temperature oxidation, which are used widely for protecting turbine blades and vanes. The properties of the aluminide coating depend on the process methodologies used to deposit the coating, the substrate composition and the subsequent treatment. The coating deposition rate and morphology depend on the process temperature and time. Processing temperature influences the rate of diffusion, at which alloy elements may diffuse and the metallurgy of the surface compound may form, thus, it is a critical parameter in the processing and manufacturing of diffusion coatings. The coating time at temperature defines the thickness of the coating formed during the diffusion step. The thickness of the coating is also a main factor of protecting property of the coatings. Two basic mechanisms typify the diffusion coatings, depending on whether the main diffusing species is aluminum diffusing from the coating to substrate or the base metal of the substrate alloy diffusing outward to the coating layer. These coatings are usually produced by pack cementation, out-of-pack cementation and chemical vapor deposition (CVD), which involve the diffusion of a predominant element such as, for example, aluminum to form ‘diffusion coatings’ layers. In this thesis, we mainly studied the aluminide diffusion coatings on high-temperature Ni-base superalloy CMSX4. The coating procedure and its resulted coating layer features are mainly illustrated. During the process, the aluminium made available by the carrier vapor phase, moves inward into the component by solid state diffusion to form β-NiAl with the outward diffused Ni. In pure Ni (Ni201), aluminizing resulted in the formation of a set of single-phase layers is typically found. The diffusion coating formed on the pure Ni is served as a comparison for coatings on CMSX4. In chapter 1, the evolution of the Ni-base superalloys and its strengthening mechanisms and applications are first given. Then the corrosion and oxidation degradation processes have been discussed. The Ni-base superalloys are designed to have lower Al and add more other refractory elements in order to increase the creep mechanical properties. The lower concentration of Al and the loss of surface protection can result in very high rates of attack to the substrate, leading to the catastrophic component failure. Hence, this is the main reason for applying a surface coating to ensure the operating efficiency of the components made by Ni-base superalloy. In the following sections, the processes of different diffusion coatings are discussed in detail. The diffusion coatings are also used as bond-coat in TBC. The interdiffusion degradation of the coating and the formation of α-Al2O3 during service are also introduced. At last, the cyclic oxidation test on the quality of the coatings is described, for that the cyclic oxidation is a critical factor for examining the adherence of the protective coating layer. In chapter 2, the experimental materials CMSX4 and Ni201 are analyzed and prepared for vapor-phase aluminizing. The aluminizing process plan and the resulted metallographic surface analyses are given. These analyses are based on the SEM, EDS, EBSD and GDOES techniques. The techniques of EBSD and GDOES are special introduced. In chapter 3, the SEM microstructure features of the coating layers on the substrate at different temperatures and times are obtained. The chemical composition profiles of the coating layers based on the EDS and GDOES techniques are illustrated. The layered structures and orientation relationship between coating layer and substrate are also shown in EBSD analyses. In Chapter 4, the chemical profiles on the surface of the diffused coating are discussed. The diffusion mechanisms, orientation relationship between coating and substrate, the interdiffusion of alloy elements, the effects of anisotropy of the substrate to the coatings features are elucidated based on results and analyses in Chapter 3. In the end, Chapter 5 concludes the results of this thesis work and gives suggestions for future work to be carried out.

La tendenza nei moderni motori turbo è verso un continuo aumento delle temperature di ingresso turbina. L’ aumento della temperatura di ingresso di una turbina a gas da 900 °C a 1250 °C può provocare un aumento del 30% nella produzione di energia della turbina, a parità di consumo di carburante. I componenti caldi di turbine a gas costituiti da Ni-base superleghe che operano in ambienti aggressivi sono sottoposti a una serie di attacchi diversi, quali, ad esempio: l’ ossidazione, la corrosione a caldo, l’ erosione, la solforizzazione e la clorazione. L’ uso di rivestimenti protettivi è un modo per risolvere i problemi delle leghe in ambienti difficili. Attuamente, i rivestimenti per applicazioni ad alta temperatura includono principalmente i rivestimenti di diffusione, i rivestimenti di copertura e quelli di barriera termica. I rivestimenti a base di alluminio, cromo e silicio possono produrre strutture Al2O3, Cr2O3 and SiO2, che hanno caratteristiche protettive sulle superleghe. I rivestimenti di diffusione sono stati i primi ad essere sviluppati e sono tuttora i più utilizzati. I rivestimenti di diffusione a base di alluminio si sono rivelati essere la soluzione economica per l'ossidazione ad alta temperatura, e sono ampiamente utilizzati per la protezione di pale e palette. Le proprietà del rivestimento a base di alluminio dipendono dalle metodologie utilizzate per la deposizione del rivestimento, la composizione del substrato e il successivo trattamento. La velocità di deposizione e la morfologia del rivestimento dipendono dalla temperatura di processo e dal tempo. La temperatura del processo di lavorazione influenza la velocità con cui gli elementi di lega possono diffondersi e la struttura metallurgica dellla superficie del composto si può formare, perciò rappresenta un parametro critico nella lavorazione e nella produzione di rivestimenti diffusione. Il tempo del processo di rivestimento a una certa temperatura determina lo spessore del rivestimento che si forma durante la fase di diffusione. Lo spessore del rivestimento è un fattore determinante per le caratteristiche protettive del rivestimento. Due meccanismi di base caratterizzano i rivestimenti diffusione: nel primo tipo l’alluminio si diffonde dal rivestimento al substrato, nel secondo tipo il metallo base del substrato (Nickel) si diffonde sul rivestimento. Questi processi sono, di solito, effettuati tramite cementazione in cassetta, cementazione senza cassetta o deposizione chimica da vapore (CVD). E prevedono la diffusione di un elemento dominante, come per esempio l'alluminio,per formare gli strati del rivestimento. In questa tesi, abbiamo studiato principalmente i rivestimenti di difusione di aluminio su Ni-base supeleghe CMSX4. Vengono illustrati i processi di lavorazione e le caratteristiche dei rivestimenti risultanti. Durante il processo l’ alluminio reso disponibile dal vettore ‘fase vapore’ si sposta verso l’ interno nel componente per diffusione allo stato solido a formare β-NiAl con il nichel diffuso all'esterno. Sul nichel puro (Ni201), il risultato dell'alluminizzazione è tipicamente la formazione di una serie di strati a fase singola. Il rivestimento di diffusione sul Ni201, è servita come termine di paragone per la diffusione su CMSX4. Nel capitolo 1, si illustrano inanzitutto l'evoluzione delle superleghe, i meccanismi di rafforzamento delle stesse e le loro applicazioni. Poi vengono discussi i processi degenerativi di corrosione e ossidazione. Le Ni-base superleghe sono progettate per avere livelli più bassi di alluminio e più alti di altri elementi refrattari al fine di aumentare le proprietà meccaniche di scorrimento. La più bassa concentrazione di alluminio e la perdita di protezione superficiale, possono portare a tassi molto elevati di attacco al substrato che portano a guasti catastrofici dei componenti. Quindi, la ragione principale per l'applicazione di un rivestimento superficiale sui componenti costituiti da Ni-base superleghe è di garantirne l'efficienza operativa. Nella sezione seguente, sono discussi nel dettaglio i diversi processi di rivestimento di diffusione. I rivestimenti di diffusione vengono anche impiegati come ‘bond-coat’ nei rivestimenti a barriera termica. Vengono anche introdotti il processo di degradazione interdiffusione e la formazione di α-Al2O3 durante il servizio. Infine viene descritto il test di ossidazione ciclica sulla qualità dei rivestimenti, poichè l'ossidazione ciclica è un fattore critico per esaminare l'aderenza dello strato protettivo. Nel capitolo 2, i materiali sperimentali CMSX4 e Ni201 vengono analizzati e preparati per l'alluminizzazione fase vapore. Vengono presentati il piano per il processo di alluminizzazione e le analisi metallografiche delle superfici risultanti. Le analisi si basano sulle tecniche SEM, EDS, EBSD and GDOES. Vengono introdotte soprattuto le tecniche EBSD and GDOES. Nel capitolo 3, vengono esposte le caratteristiche microstrutturali degli strati di rivestimento sul substrato a differenti temperature e tempi. Si illustrano i profili di composizione chimica degli strati di rivestimento in base alle tecniche EBDS e GDOES. Le strutture a strati e le relazioni di orientamento tra gli strati di rivestimento e il substrato vengono mostrati anche nell'analisi EBSD. Nel capitolo 4, si discutono i profili chimici delle superfici degli strati di rivestimento. Venogono chiariti i meccanismi di diffusione, le relazioni di orientamento tra il rivestimento e il substrato, l'interdiffucione di elementi di lega e gli effetti dell'anisotropia del substrato sulle caratteristiche dei rivestimenti in base ai risultati e alle analisi del capitolo 3. Infine, il capitolo 5 conclude i risultati di questo lavoro di tesi e fornisce suggerimenti per il lavoro futuro.

Diffusion coatings for high-temperature applications on Ni-base superalloys

HAN, XINGHUA

Abstract

The trend in modern turbo-engines is toward a continuous increase in turbine inlet temperatures. Increasing the inlet temperature of a gas turbine from 900°C to 1250°C can result in a 30% increase in the energy output of the turbine, with fuel consumption remaining equal. Hot components of gas turbines made by Ni-base superalloys operating in aggressive environments are subjected to a number of different attacks, such as, oxidation, hot corrosion, erosion, sulphidising, chlorination. The use of protective coatings has been a way to remedy these problems for alloys in harsh environments. The coatings nowadays for high temperature applications include mainly diffusion coatings, overlay coatings and thermal barrier coatings (TBC). The protective character of diffusion coatings attributes to the protective nature of the Al2O3, Cr2O3 and SiO2 scale formed respectively on the aluminide, chrominide or silicides at elevated temperatures. Diffusion coatings have first been developed and still are the most used coatings. Aluminide diffusion coatings are proved to be the cost-effective solution for high temperature oxidation, which are used widely for protecting turbine blades and vanes. The properties of the aluminide coating depend on the process methodologies used to deposit the coating, the substrate composition and the subsequent treatment. The coating deposition rate and morphology depend on the process temperature and time. Processing temperature influences the rate of diffusion, at which alloy elements may diffuse and the metallurgy of the surface compound may form, thus, it is a critical parameter in the processing and manufacturing of diffusion coatings. The coating time at temperature defines the thickness of the coating formed during the diffusion step. The thickness of the coating is also a main factor of protecting property of the coatings. Two basic mechanisms typify the diffusion coatings, depending on whether the main diffusing species is aluminum diffusing from the coating to substrate or the base metal of the substrate alloy diffusing outward to the coating layer. These coatings are usually produced by pack cementation, out-of-pack cementation and chemical vapor deposition (CVD), which involve the diffusion of a predominant element such as, for example, aluminum to form ‘diffusion coatings’ layers. In this thesis, we mainly studied the aluminide diffusion coatings on high-temperature Ni-base superalloy CMSX4. The coating procedure and its resulted coating layer features are mainly illustrated. During the process, the aluminium made available by the carrier vapor phase, moves inward into the component by solid state diffusion to form β-NiAl with the outward diffused Ni. In pure Ni (Ni201), aluminizing resulted in the formation of a set of single-phase layers is typically found. The diffusion coating formed on the pure Ni is served as a comparison for coatings on CMSX4. In chapter 1, the evolution of the Ni-base superalloys and its strengthening mechanisms and applications are first given. Then the corrosion and oxidation degradation processes have been discussed. The Ni-base superalloys are designed to have lower Al and add more other refractory elements in order to increase the creep mechanical properties. The lower concentration of Al and the loss of surface protection can result in very high rates of attack to the substrate, leading to the catastrophic component failure. Hence, this is the main reason for applying a surface coating to ensure the operating efficiency of the components made by Ni-base superalloy. In the following sections, the processes of different diffusion coatings are discussed in detail. The diffusion coatings are also used as bond-coat in TBC. The interdiffusion degradation of the coating and the formation of α-Al2O3 during service are also introduced. At last, the cyclic oxidation test on the quality of the coatings is described, for that the cyclic oxidation is a critical factor for examining the adherence of the protective coating layer. In chapter 2, the experimental materials CMSX4 and Ni201 are analyzed and prepared for vapor-phase aluminizing. The aluminizing process plan and the resulted metallographic surface analyses are given. These analyses are based on the SEM, EDS, EBSD and GDOES techniques. The techniques of EBSD and GDOES are special introduced. In chapter 3, the SEM microstructure features of the coating layers on the substrate at different temperatures and times are obtained. The chemical composition profiles of the coating layers based on the EDS and GDOES techniques are illustrated. The layered structures and orientation relationship between coating layer and substrate are also shown in EBSD analyses. In Chapter 4, the chemical profiles on the surface of the diffused coating are discussed. The diffusion mechanisms, orientation relationship between coating and substrate, the interdiffusion of alloy elements, the effects of anisotropy of the substrate to the coatings features are elucidated based on results and analyses in Chapter 3. In the end, Chapter 5 concludes the results of this thesis work and gives suggestions for future work to be carried out.
VEDANI, MAURIZIO
COLOSIMO, BIANCA MARIA
CIGADA, ALFREDO
GARIBOLDI, ELISABETTA
28-mar-2012
La tendenza nei moderni motori turbo è verso un continuo aumento delle temperature di ingresso turbina. L’ aumento della temperatura di ingresso di una turbina a gas da 900 °C a 1250 °C può provocare un aumento del 30% nella produzione di energia della turbina, a parità di consumo di carburante. I componenti caldi di turbine a gas costituiti da Ni-base superleghe che operano in ambienti aggressivi sono sottoposti a una serie di attacchi diversi, quali, ad esempio: l’ ossidazione, la corrosione a caldo, l’ erosione, la solforizzazione e la clorazione. L’ uso di rivestimenti protettivi è un modo per risolvere i problemi delle leghe in ambienti difficili. Attuamente, i rivestimenti per applicazioni ad alta temperatura includono principalmente i rivestimenti di diffusione, i rivestimenti di copertura e quelli di barriera termica. I rivestimenti a base di alluminio, cromo e silicio possono produrre strutture Al2O3, Cr2O3 and SiO2, che hanno caratteristiche protettive sulle superleghe. I rivestimenti di diffusione sono stati i primi ad essere sviluppati e sono tuttora i più utilizzati. I rivestimenti di diffusione a base di alluminio si sono rivelati essere la soluzione economica per l'ossidazione ad alta temperatura, e sono ampiamente utilizzati per la protezione di pale e palette. Le proprietà del rivestimento a base di alluminio dipendono dalle metodologie utilizzate per la deposizione del rivestimento, la composizione del substrato e il successivo trattamento. La velocità di deposizione e la morfologia del rivestimento dipendono dalla temperatura di processo e dal tempo. La temperatura del processo di lavorazione influenza la velocità con cui gli elementi di lega possono diffondersi e la struttura metallurgica dellla superficie del composto si può formare, perciò rappresenta un parametro critico nella lavorazione e nella produzione di rivestimenti diffusione. Il tempo del processo di rivestimento a una certa temperatura determina lo spessore del rivestimento che si forma durante la fase di diffusione. Lo spessore del rivestimento è un fattore determinante per le caratteristiche protettive del rivestimento. Due meccanismi di base caratterizzano i rivestimenti diffusione: nel primo tipo l’alluminio si diffonde dal rivestimento al substrato, nel secondo tipo il metallo base del substrato (Nickel) si diffonde sul rivestimento. Questi processi sono, di solito, effettuati tramite cementazione in cassetta, cementazione senza cassetta o deposizione chimica da vapore (CVD). E prevedono la diffusione di un elemento dominante, come per esempio l'alluminio,per formare gli strati del rivestimento. In questa tesi, abbiamo studiato principalmente i rivestimenti di difusione di aluminio su Ni-base supeleghe CMSX4. Vengono illustrati i processi di lavorazione e le caratteristiche dei rivestimenti risultanti. Durante il processo l’ alluminio reso disponibile dal vettore ‘fase vapore’ si sposta verso l’ interno nel componente per diffusione allo stato solido a formare β-NiAl con il nichel diffuso all'esterno. Sul nichel puro (Ni201), il risultato dell'alluminizzazione è tipicamente la formazione di una serie di strati a fase singola. Il rivestimento di diffusione sul Ni201, è servita come termine di paragone per la diffusione su CMSX4. Nel capitolo 1, si illustrano inanzitutto l'evoluzione delle superleghe, i meccanismi di rafforzamento delle stesse e le loro applicazioni. Poi vengono discussi i processi degenerativi di corrosione e ossidazione. Le Ni-base superleghe sono progettate per avere livelli più bassi di alluminio e più alti di altri elementi refrattari al fine di aumentare le proprietà meccaniche di scorrimento. La più bassa concentrazione di alluminio e la perdita di protezione superficiale, possono portare a tassi molto elevati di attacco al substrato che portano a guasti catastrofici dei componenti. Quindi, la ragione principale per l'applicazione di un rivestimento superficiale sui componenti costituiti da Ni-base superleghe è di garantirne l'efficienza operativa. Nella sezione seguente, sono discussi nel dettaglio i diversi processi di rivestimento di diffusione. I rivestimenti di diffusione vengono anche impiegati come ‘bond-coat’ nei rivestimenti a barriera termica. Vengono anche introdotti il processo di degradazione interdiffusione e la formazione di α-Al2O3 durante il servizio. Infine viene descritto il test di ossidazione ciclica sulla qualità dei rivestimenti, poichè l'ossidazione ciclica è un fattore critico per esaminare l'aderenza dello strato protettivo. Nel capitolo 2, i materiali sperimentali CMSX4 e Ni201 vengono analizzati e preparati per l'alluminizzazione fase vapore. Vengono presentati il piano per il processo di alluminizzazione e le analisi metallografiche delle superfici risultanti. Le analisi si basano sulle tecniche SEM, EDS, EBSD and GDOES. Vengono introdotte soprattuto le tecniche EBSD and GDOES. Nel capitolo 3, vengono esposte le caratteristiche microstrutturali degli strati di rivestimento sul substrato a differenti temperature e tempi. Si illustrano i profili di composizione chimica degli strati di rivestimento in base alle tecniche EBDS e GDOES. Le strutture a strati e le relazioni di orientamento tra gli strati di rivestimento e il substrato vengono mostrati anche nell'analisi EBSD. Nel capitolo 4, si discutono i profili chimici delle superfici degli strati di rivestimento. Venogono chiariti i meccanismi di diffusione, le relazioni di orientamento tra il rivestimento e il substrato, l'interdiffucione di elementi di lega e gli effetti dell'anisotropia del substrato sulle caratteristiche dei rivestimenti in base ai risultati e alle analisi del capitolo 3. Infine, il capitolo 5 conclude i risultati di questo lavoro di tesi e fornisce suggerimenti per il lavoro futuro.
Tesi di dottorato
File allegati
File Dimensione Formato  
Diffusion Coatings for High-Temperature Applications on Ni-base Superalloys.pdf

accessibile in internet per tutti

Descrizione: Diffusion Coatings for High-Temperature Applications on Ni-base Superalloys
Dimensione 4.66 MB
Formato Adobe PDF
4.66 MB Adobe PDF Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/56789