Thermodynamics and experimental investigation of the internal oxidation of Fe-Cr-Al-(Y) alloys

Reduced activation ferritic-martensitic (RAFM) Stähle werden als eine der Hauptkandidaten für Strukturwerkstoffe in Fusionsreaktoren bezeichnet. Die geringe Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit von RAFM-Stählen begrenzt jedoch die Verwendbarkeit dieser Legierungen für diesen Zweck. Daher läuft eine umfangreiche internationale Forschung, um dieses Problem zu überwinden und Oxid-Dispersion-verfestigte (ODS) Stähle zu entwickeln. Diese Art von Stählen wird als fortgeschrittenes Material für Fusion und andere Anwendungen bei erhöhten Temperaturen entwickelt.
ODS-Stähle werden in der Regel durch den Einsatz der Pulvermetallurgie-Methode hergestellt, die verschiedene Schritte wie mechanisches Legieren, Heiß-Isostatisches Pressen, heißes Extrudieren oder Walzen sowie anschließende Wärmebehandlung umfasst. ... mehrDieser Weg gilt allgemein als die Hauptmethode zur Herstellung von ODS-Stählen, ist jedoch auch als kostenintensiv und komplex anzusehen. Eine interessante Alternative zur Herstellung von ODS-Legierungen wäre die innere Oxidation, die das Herstellungsverfahren weniger komplex und kosteneffektiver gestalten könnte.
In dieser Studie wurde die innere Oxidation von Fe-Cr-Al-(Y)-Legierungen untersucht, um die Durchführbarkeit der selektiven Oxidation von Al-(Y) in Cr-Stählen zu bewerten. Der erste Schritt dieser Arbeit bestand darin, das Oxidationsverhalten von Fe als Basiskomponente, Cr als Legierungselement sowie Al und/oder Y als oxidbildende Elemente zu untersuchen. Thermodynamische und diffusionskinetische Berechnungen wurden unter Verwendung der Software Thermo-Calc und DICTRA auf der eisenreichen Seite des Phasendiagramms durchgeführt. Aufgrund der Anforderung äußerst niedriger Sauerstoffaktivität für die innere Oxidation in diesem System wurden mehrere Sauerstoffpuffer-Systeme in Betracht gezogen, darunter Cr/Cr2O3, Fe/FeO, V2O/VO, and VO/V2O3 Gleichgewichtsmischungen.
Die späteren Oxidationsversuche unter Verwendung einer VO/V2O3-Pulvermischung mit direktem Kontakt zu den Legierungen und dem Puffersystem führten zur erfolgreichen Bildung einer inneren Oxidationszone (IOZ) mit einer Tiefe von etwa 2000 μm in Fe-16Cr-0.2Al Legierungen. Diese Zone bestand aus Al-O-basierten Partikeln. Das gleiche Experiment mit VO/V2O3 für die Fe-16Cr-0.2Al-0.05Y Legierung zeigte ebenfalls eine IOZ mit einer ähnlichen Tiefe von etwa 2000 μm.
Um die Zugfestigkeit der hergestellten Legierungen zu bewerten, wurden mechanische Tests an inneroxidierten Proben der Fe-16Cr-0.2Al- und Fe-16Cr-0.2Al-0.05Y-Legierungen durchgeführt. Die höchsten gemessenen Zugfestigkeiten für diese Legierungen betrugen etwa 205 MPa. Die erzielten Werte für die Zugfestigkeit (Ultimate Tensile Strength, UTS) in dieser Studie entsprachen etwa 17% bis 31% der typischen UTS-Werte für konventionelle ODS-Stähle bei Raumtemperatur. Es sollte beachtet werden, dass die minimale Größe der beobachteten Oxide in dieser Studie etwa 600 nm betrug, während die berichtete Größe der Oxidpartikel in konventionellen ODS-Stählen wesentlich feiner war, typischerweise weniger als 100 nm. Ein weiterer Aspekt, der berücksichtigt werden sollte, ist das Fehlen zusätzlicher Legierungselemente wie Ni, W und Ti in den untersuchten Legierungen in dieser Arbeit. Unter Berücksichtigung dieser beiden Punkte (Größe der Oxidpartikel und Fehlen zusätzlicher Legierungselemente) lässt sich die Abweichung der mechanischen Eigenschaften der hergestellten Legierungen im Vergleich zu konventionellen ODS-Stählen erklären. Daher lässt sich nach Abschluss dieser Studie feststellen, dass die selektive Oxidation von Al-(Y) in den untersuchten Cr-Stählen möglich ist und die innere Oxidation als alternative Herstellungsmethode für ODS-Stähle betrachtet werden könnte.

Reduced activation ferritic-martensitic (RAFM) steels are named as one of the primary candidates for structural materials in fusion reactors. Low creep and fatigue resistance of RAFM steels limit the usability of these alloys for this purpose, and massive international research is ongoing to overcome this issue and develop Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels. This type of steels is being developed as advanced materials for fusion and other elevated temperature applications.
The production of ODS steels is typically carried out using a powder metallurgy route, which involves mechanical alloying, hot isostatic pressing, hot extrusion or rolling, and subsequent heat treatment steps. ... mehrThis route is commonly regarded as the primary manufacturing method for ODS steels, but it is also considered a costly and complex process. An intriguing alternative for producing ODS alloys would be internal oxidation, which has the potential to make the production process less complex and more cost-effective.
In this study, the internal oxidation of Fe-Cr-Al-(Y) alloys was investigated to assess the feasibility of the selective oxidation of Al-(Y) in Cr-steels. The first step of this work involved the study of the oxidation behavior of Fe as the base component, Cr as an alloying element, Al and/or Y as oxide-forming elements. Thermodynamic and diffusion calculations were performed using Thermo-Calc and DICTRA software in the iron-rich side of the phase diagram. Due to the requirement of extremely low oxygen activity for internal oxidation in this system, several oxygen buffer systems were considered, including Cr/Cr2O3, Fe/FeO, V2O/VO, and VO/V2O3 equilibrium mixtures.
The later oxidation experiments using VO/V2O3 powder mixture with direct contact with the alloys and the buffer system resulted in the successful formation of an internal oxidation zone (IOZ) with approximately 2000 μm of depth, consisting of Al-O based particles, in Fe-16Cr-0.2Al alloys. The same experiment with VO/V2O3 for Fe-16Cr-0.2Al-0.05Y alloy also showed an IOZ with a similar depth of approximately 2000 μm.
To evaluate the tensile strength of the produced alloys, mechanical testing was carried out on internally oxidized samples of Fe-16Cr-0.2Al and Fe-16Cr-0.2Al-0.05Y alloys. The highest recorded tensile strengths for these alloys were approximately 205 MPa. The achieved ultimate tensile strength (UTS) values in this study were about 17% to 31% of the typical UTS values for conventional ODS steels at room temperature. It should be noted that the minimum size of oxides observed in this study was approximately 600 nm, whereas the reported size of oxide particles in conventional ODS steels was much finer, typically less than 100 nm. Another aspect that should be considered is the absence of additional alloying elements such as Ni, W and Ti in the studied alloys in this work. Taking these two points into account (size of oxide particles and lack of additional alloying elements), the deviation in the mechanical properties of the produced alloys compared to conventional ODS steels could be explained. This study leads to the conclusion that the selective oxidation of Al-(Y) in the examined Cr-steels is indeed viable, and internal oxidation might be considered as an alternative production route for ODS steels.