The adhesion of alumina films to metallic alloys and coatings

Abstract

The adherence of protective oxide scales to alloy substrates is governed by the stored elastic energy in the scale which drives delamination and the fracture resistance of the alloy oxide interface. Clearly, any modifications to the alloy or the exposure environment which decreases the former or increases the latter will improve the durability of a given system. The stored elastic energy is determined by the stress level in the scale and the scale thickness. The stress state in the scale is determined by stresses which arise during the oxide formation (Growth Stresses), stresses produced during temperature changes as the result of thermal expansion mismatch between the oxide and the alloy (Thermal Stresses), and any stress relaxation which occurs as the result of creep of the scale or alloy. The fracture energy of the interface is a function of the composition at the interface, the microstructure in the interfacial region, and the composition of the exposure environment. This paper focuses on the results of studies of a variety of alloys and coatings, all of which form continuous alumina scales, in which it has been attempted to evaluate the effects of various alloy and exposure parameters on the stress state in the scale, the microstructure of the alloy/oxide interface, and the fracture resistance of the interface. The alloy parameters include alloy type, sulfur content, and reactive element content. The exposure parameters include oxidation temperature, temperature profile during exposure, and water vapor and sulfur contents of the atmosphere. Die Haftung von Aluminiumoxidfilmen auf metallischen Legierungen und Beschichtungen Die Haftung von Aluminiumoxidschichten auf Legierungssubstraten wird von der im Oxid gespeicherten elastischen Energie bestimmt. Diese fördert die Delamination des Oxids und die Bruchfestigkeit an der Grenzfläche Legierung/Oxid. Es ist klar, dass jede Modifizierung der Legierung oder der umgebenden Gasatmosphäre, welche entweder ersteres erniedrigt oder letzteres erhöht, der Beständigkeit eines gegebenen Systems förderlich ist. Die gespeicherte elastische Energie wird durch die Höhe der Spannungen in der Schicht und durch die Schichtdicke bestimmt. Der Spannungszustand der Schicht wird durch Spannungen bestimmt, welche verursacht werden durch das Oxidwachstum (Wachstumsspannungen), durch Spannungen, welche aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Oxids und der Legierung bei Temperaturänderungen entstehen (Thermische Spannungen) und dem Spannungsabbau als Ergebnis des Kriechens von Oxid oder Legierung. Die Bruchenergie der Grenzfläche ist eine Funktion der Zusammensetzung der Grenzfläche, der Mikrostruktur im grenzflächennahen Bereich und der Zusammensetzung der Auslagerungsumgebung Dieser Artikel befasst sich mit Ergebnissen von Studien an einer Reihe von Legierungen und Beschichtungen, welche durchgehende Aluminiumoxidschichten bilden. Es wurde versucht, den Einfluss unterschiedlicher Legierungs- und Auslagerungsparameter auf den Spannungszustand in der Schicht, auf die Mikrostruktur der Grenzfläche Oxid/Legierung und auf die Bruchfestigkeit der Grenzfläche herauszufinden. Die Legierungsparameter schließen den Legierungstyp, den Schwefelgehalt und den Gehalt an reaktiven Elementen ein. Die Auslagerungsparameter enthalten die Oxidationstemperatur, das Temperaturprofil während der Auslagerung, sowie den Wasser- und Schwefelgehalt der Atmosphäre.