Aluminium and oxygen tracer diffusion in polycrystalline alpha-Al2O3
Final Report Abstract
α-Al2O3 ist ein wichtiger Hochtemperaturwerkstoff mit vielseitigen technischen Einsatzmöglichkeiten, wobei polykristalline Gefüge von α-Al2O3 einen besonders hohen Stellenwert in der technologischen Anwendung von α-Al2O3 haben. Aus diesem Grund war es besonders nachteilig, dass bis zum Projektbeginn noch keine Korngrenzendiffusionsdaten in α-Al2O3 vorlagen. Das vorrangige Ziel dieses Projekts war es deshalb, zuverlässige 26Al-Korngrenzendiffusionsdaten zu ermitteln. Heuer et al. erwähnten einen allerersten (!) Datensatz zur 26Al- Korngrenzendiffusion in polykristallinem undotierten α-Al2O3 (Korngröße ca. 1 µm), der jedoch unveröffentlicht blieb, so dass detaillierte Angaben zur 26Al-Tracermessung, Probenherstellung und -struktur und zur quantitative Analyse von Verunreinigungen der Proben fehlten. Aufbauend auf diesem (unveröffentlichten) Datensatz schlussfolgerten Heuer et al., dass die Aluminium- und die Sauerstoff-Korngrenzendiffusion vergleichbar sind, d. h. Dgb^Al ≈ Dgb^Oxy. Solch eine Schlussfolgerung hat weitreichende theoretische Konsequenzen: Bei der Modellierung diffusionskontrollierter Vorgänge (wie Kriechen, Sintern, Wachstum von α-Al2O3-Oxidschichten auf aluminiumhaltigen Fe- oder Ni-Basislegierungen) wird z. B. vermutet, dass in Analogie zur Diffusion im Volumen die Sauerstoffkorngrenzendiffusion in α-Al2O3 wesentlich langsamer ist als die Aluminiumkorngrenzendiffusion. In diesem Projekt wurden erstmals 26Al-Korngrenzendiffusionsdatensätze veröffentlicht, bei denen die Durchführung der Tracerdiffusionsexperimente, die Analyse der Verunreinigungen und die mikrostrukturelle Charakterisierung der Proben ausführlich dokumentiert sind. Die in diesem Projekt durchgeführten simultanen Diffusionsexperimente von Sauerstoff und Aluminium, die eine gleichzeitige Eindiffusion von 18O und 26Al erlauben, belegen experimentell eindeutig, dass Heuers Schlussfolgerung (Dgb^Al ≈ Dgb^Oxy) falsch ist und dass Aluminium in den Korngrenzen wesentlich beweglicher ist als Sauerstoff, d. h. es gilt Dgb^Oxy ≫ Dgb^Oxy. Der Zusatz von Yttrium hat, technologisch gesehen, einen positiven Effekt, denn er verlangsamt sowohl die Kriechrate von polykristallinem α-Al2O3 als auch das Wachstum von α-Al2O3-Oxidationsschutzschichten auf aluminiumhaltigen Fe- oder Ni-Basislegierungen. In diesem Projekt wurden deshalb ebenfalls Daten zur Aluminiumkorngrenzendiffusion in Yttrium-dotiertem polykristallinem α-Al2O3 ermittelt. Um den direkten Einfluss der Yttrium-Dotierung auf die Al-Korngrenzendiffusion ermitteln zu können, wurden nominell undotierte und Yttrium-dotierte Proben zeitlich parallel nach dem gleichen Verfahren hergestellt. Es zeigt sich, dass der Einfluss der Yttrium-Dotierung auf die Aluminiumdiffusion in den Korngrenzen im Fehlerbereich der Diffusionsmessung liegt und somit praktisch vernachlässigbar ist.
Publications
- Al-26 grain boundary diffusion in polycrystalline α-Al2O3: Comparison of experiment and simulation. Bunsen Colloquium on Defects and Diffusion in Solids (RWTH Aachen), November 10-11, 2016
P. Fielitz, G. Borchardt
- Aluminium-26 diffusion in nominally undoped and Y doped polycrystalline α-alumina. 2016 E-MRS Spring Meeting in Lille (France) from May 2 to 6
P. Fielitz, K. Kelm, R. Bertram, G. Borchardt
- Self-Diffusion of the Constituent Elements in Alpha-Alumina, Mullite and Aluminosilicate Glasses, Diffusion Foundations Vol. 8, Progress in Thermodynamics, Diffusion, Ion and Proton Transport of Ionic Compounds and Ion- Conducting Polymer Films, Editor H. Mehrer, Trans Tech Publications (2016), 80–108
P. Fielitz, G. Borchardt
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DF.8.80) - Aluminium-26 grain boundary diffusion in pure and Y-doped polycrystalline α-alumina, Acta Materialia 127 (2017) 302–311
P. Fielitz, K. Kelm, R. Bertram, A.H. Chokshi, G. Borchardt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.01.005)
