Initial stage oxidation of a FeCrAI alloy at 1 000 °C. Influence of water vapor

Laboratoire de recherches sur la réactivité des solides, UMR 56-13 CNRS, UFR sciences et techniques, 9, avenue Alain-Savary, BP 400, 21011 Dijon cedex, France.

Abstract

Fe-21.5Cr-5.6Al alloy oxidation, at 1000°C, in dry or wet oxygen shows that steam has an influence on the initial stage of the process. In dry oxygen, an initial linear kinetic regime is observed during one hour, before it follows the parabolic behaviour. Under wet conditions, weight gain curves follow the same parabolic regime all along the oxidation test.

The scale structure is also strongly dependent on the steam presence in the gaseous environment. In dry oxygen, γ-Al₂O₃ identified by ESCA and RHEED is initially formed. After some hours the oxide scale is mainly composed of α-Al₂O₃. Successive abrasion and RHEED analysis show that the transient stage corresponds to the necessary time for the internal part of the initial γ-Al₂O₃ scale to transform into a continuous OC-Al₂O₃ diffusion barrier. The transformation, starting at the internal interface, is induced by the external cation diffusion. Under wet oxygen conditions, transient oxides are identified as (Mg,Fe)(Cr,Al)₂O₄, MgAl₂O₄(orthorhombic), Al₂O₃ (hexagonal) and such a scale acts as an effective diffusion barrier. These oxides transform into MgAl₂O₄ (cubic), Cr₂O₃, Fe₂O₃. α–Al₂O₃, after long term testings, leading to probable bad protection characteristics in more aggressive environments.

Résumé

L'étude de l'oxydation, à 1000°C, de l'alliage Fe-21.5Cr-5.6Al montre que la vapeur d'eau a une influence sur la période transitoire d'oxydation. Sous oxygène sec, on observe un régime cinétique linéaire pendant une heure avant la poursuite d'un régime parabolique. Sous atmosphère humide, les courbes de prise de masse ont une allure parabolique dès le début du test d'oxydation.

La structure de la couche d'oxyde depend fortement de la présence de la vapeur d'eau dans le mélange gazeux. Sous oxygène sec, il se forme initialement une couche de γ-Al₂O₃ identifiée par ESCA et RHEED. Après quelques heures d'oxydation la couche est principalement constituée de α-Al₂O₃. Une analyse effectuée en alternant abrasion ionique et RHEED montre que la période transitoire correspond au temps nécessaire à la transformation de la partie interne de la couche intiale de γ-Al₂O₃ en α-Al₂O₃. La transition de phase, qui débute à l'interface interne, est provoquée par la diffusion externe des cations. Sous oxygène humide, les oxydes de transition sont (Mg,Fe)(Cr,Al)₂O₄, MgAl₂O₄ (orthorhombique), Al₂O₃ (hexagonal): une telle couche présente alors dès le début du test des propriétés de barrière de diffusion. Ces divers oxydes se transforment au cours du temps en MgAl₂O₄ (cubique), Cr₂O₃. Fe₂O₃, α-Al₂O₃, ce qui laisse prévoir un mauvais caractère protecteur de la couche dans des milieux corrosifs.