Beyond Breakaway Corrosion: Investigating the Secondary corrosion protection of Iron-based alloys
Doctoral thesis, 2023

High temperature corrosion of metallic materials remains a major challenge for many in-dustrial applications. The challenges of high temperature corrosion are often addressed by using highly alloyed materials such as stainless steels or FeCrAl alloys. The corrosion protection of these alloys rely on the formation of a protective Cr- and/or Al-rich corundum-type oxide. However, under corrosive conditions, these oxides tend to break down, resulting in the formation of a less protective, multi-layered Fe-rich oxide scale, a process known as breakaway corrosion.

The oxide scales formed after breakaway are often considered to be non-protective. There-fore, previous studies on breakaway corrosion have mainly focused on how to delay, or prevent, the breakdown of the Cr/Al-rich oxide. Nevertheless, in many industrial appli-cations the breakaway event occurs in an early stage of operation and may be difficult to prevent. Thus, the corrosion propagation and lifetime of metallic components are often determined by the protection of the Fe-rich oxide scale formed after breakaway.

This thesis systematically investigates the protective properties of the Fe-rich oxides formed after breakaway at intermediate temperatures (400-600 °C). This is done through well-controlled breakdown of the Cr/Al-rich oxide, on a broad range of Fe-based model alloys that contain varying amounts of Cr, Ni, Al, and Si. The formed multi-layered Fe-rich oxide scales are subjected to detailed microstructural investigations, to elucidate how the properties and microstructures of the multi-layered Fe-rich oxide change as a result of altered alloy composition, and/or the presence of certain corrosive species.

The results clearly demonstrate the possibilities to improve the protection of the Fe-rich oxide by an altered alloy composition. The influences that alloying elements exhibit on the Fe-rich oxide scales are different from the previously demonstrated effects of the slow-growing Cr/Al-rich corundum-type oxides. Thus, the positive effects of certain alloy-ing elements in Fe-based alloys are not necessarily the same for the corrosion protection exhibited before and after breakaway. Therefore, this thesis introduces the concept of primary and secondary corrosion protection for the oxide scales formed before (Cr/Al-rich corundum-type oxides) and after (multi-layered Fe-rich oxide scales) breakaway. The terminology is considered to be important for future material research and development, as well as for the selection of materials to be used in applications in which breakaway corrosion cannot be prevented.

High temperature corrosion, Breakaway oxidation, Fe-based alloys, Iron oxide, Secondary corrosion protection

10:an, Forskarhus 1, Kemigården 4, Göteborg
Opponent: Professor Gordon Tatlock

Author

Amanda Persdotter

Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Energy and Material

A. Persdotter, H. Larsson, J. Eklund, S. Bigdeli, T. Jonsson, The influence of Nickel on the corrosion protection of FeCrNi alloys after breakaway corrosion at 600 °C

A. Persdotter, T. Boll, V. Ssenteza, T. Jonsson, Insight into the influence of alloying elements on the secondary corrosion protection of Fe-based alloys by means of Atom probe tomography.

Stål är ett av de mest använda materialen för industriella applikationer verksamma vid höga temperaturer. För att maximera komponenternas livslängd och bibehålla dess egenskaper behöver stålet stå emot både kemisk och mekanisk degradering. Ett vanligt förekommande skäl till nedbrytning av stålets egenskaper vid höga temperaturer är korrosion. Därav beror stålets effektiva livslängd vid höga temperaturer i stor utsträckning på dess korrosionsskydd. Rostfria stål och FeCrAl-legeringar är material som är designade för att bilda en långsamtväxande krom-/aluminium-rik oxid som skydd mot fortsatt korrosion. Detta korrosionsskydd är emellertid endast tillräckligt i milda miljöer och tenderar att brytas ned i närvaro av korrosiva specier. Nedbrytningen leder till att en snabbväxande järnrik oxid bildas, vilket riskerar att minska stålets livslängd avsevärt. I många industriella användningsområden är korrosiva specier en del av den verksamma processen, vilket resulterar i att nedbrytningen av den skyddande krom/aluminium-rika oxiden är nästintill ofrånkomlig. I dessa applikationer bestäms därav stålets livslängd av den järnrika oxidens skyddande egenskaper. Trots detta saknas ofta klassificering av högtemperaturstål utifrån detta korrosionsskydd.

I denna tes påvisas tydligt möjligheterna att förbättra de skyddande egenskaperna av den järnrika oxiden vid medelhöga temperaturer (400-600 °C) genom att ändra stålet sammansättning. Effekten av olika legeringselement är skild från de tidigare uppvisade effekterna hos de långsamtväxande krom-/aluminium-rika oxiderna. Det sekundära korrosionsskyddet undersöks systematiskt på olika stål genom att inducera nedbrytning av den krom-/aluminium-rika oxiden och studera den järnrika oxidens skyddande egenskaper. Syftet är att öka kunskapen om vilka faktorer som avgör det sekundära korrosionsskyddet samt att bättre förstå hur det påverkas av olika legeringssammansättningar och miljöer.

Begreppet primärt- och sekundärt korrosionsskydd upprättas för att särskilja de långsamtväxande krom-/aluminium-rika oxiderna som bildas i milda miljöer, från de mer snabbväxande järnrika oxiderna som bildas efter nedbrytning av det primära skyddet. Begreppet anses viktigt för både materialutveckling och som hjälp vid val av material för applikationer verksamma vid medelhöga temperaturer, där den korrosiva miljön inte möjliggör för bildning av ett primärt korrosionsskydd.

Subject Categories

Physical Sciences

Metallurgy and Metallic Materials

Chemical Sciences

Corrosion Engineering

Condensed Matter Physics

Infrastructure

Chalmers Materials Analysis Laboratory

ISBN

978-91-7905-943-9

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5409

Publisher

Chalmers

10:an, Forskarhus 1, Kemigården 4, Göteborg

Online

Opponent: Professor Gordon Tatlock

More information

Latest update

10/27/2023