ilustracnyJednou z metod ochrany proti vysokoteplotní korozi je alitace, kdy do struktury materiálu vstupuje hliník. Pozitivně působí v tuhém roztoku, či jako intermetalická fáze, principem ochrany je vznik kompaktní ochranné vrstvy Al2O3. Běžně se tyto povlaky provádí jako ochrana menších dílů z niklových slitin/austenitických ocelí alitací v zásypu či pomocí CVD metod.

Cílem této práce bylo nalezení vhodného postupu i pro rozměrné konstrukce a ověření možností alitace nízkouhlíkových ocelí. Dalším cílem byl popis korozní odolnosti v prostředích spaloven komunálního odpadu/biomasy. Práce vznikla za podpory MPO v rámci projektu FR-TI1/225.
Díky vysoké afinitě ke kyslíku vstupuje hliník přednostně do oxidické vrstvy a výrazně zlepšuje její ochranné vlastnosti. Proto zásadně zlepšuje korozní vlastnosti ocelí a to i v prostředích s vysokým obsahem chloru či síry. Hliník působí pozitivně rozpuštěný v tuhém roztoku i v intermetalických fázích. Tyto fáze mají obvykle výjimečnou korozní odolnost a jsou využitelné v ochranných vrstvách. Difuzní hliníkování je jednou z možností přípravy povlaku z intermetalických fází (v tomto případě aluminidů). Jednou z výhod tohoto postupu je dobré mechanické zakotvení fází na povrchu substrátu (ve srovnání např. s žárovými nástřiky).

Existuje mnoho variant alitace, podle způsobu transportu hliníku do substrátu lze rozlišit základní dva typy:
• CVD metody, kdy je hliník ze zdroje transformován do plynné fáze (většinou jako halogenid) a díky spádu chemického potenciálu transportován k povrchu substrátu. Tam je deponován a vstupuje do struktury. Běžné postupy alitace v zásypu spadají do této kategorie.
• Metody bez plynné fáze, kdy je povrch materiálu v přímém kontaktu s hliníkem a povlak vzniká difuzí v tuhé fázi během tepelného zpracování. Do této skupiny patří alitace z nátěru a alitace ponorem do taveniny hliníku. Těmito dvěma postupy se zabývá tato práce.

Experimentální program
Byly použity oceli 16Mo3 a 347HFG. První z nich je zástupcem ocelí nízkolegovaných, ve velké míře je využívána v energetice pro stavbu membránových stěn i ostatních tepelných výměníků. U uhelných elektráren se běžně používá do teplot výstupní páry 540 °C, v případě spaloven komunálního odpadu, kde je přítomen chlor, je její použitelnost omezena na teplotu cca 350 °C. Austenitická ocel 347HFG byla vyvinuta pro přehříváky u nadkritických uhelných bloků. V prostředích s obsahem chloru se používá pro biomasové teplárny zejména v severských zemích, v těchto prostředích podléhá zejména korozi po hranicích zrn.
Byly zkoušeny dva postupy alitace na oceli: metoda alitace z nátěru s obsahem sférických hliníkových mikročástic a ponorové hliníkování v tavenině. Byly analyzovány koncentrační profily jednotlivých prvků v návaznosti na podmínky tepelného zpracování a vytvořeny kinetické modely.
Byly provedeny dlouhodobé laboratorní korozní zkoušky v modelovém prostředí spaloven komunálního odpadu a provozní zkoušky v reálném kotli spalovny TERMIZO Liberec.

Ocel 347HFG alitace z nátěru Ocel 347HFG alitace ponorem Ocel 16Mo3 alitace ponorem
Ocel 347HFG – alitace z nátěru Ocel 347HFG – alitace ponorem Ocel 16Mo3 – alitace ponorem

Výsledky
Ukázalo se, že alitace žíháním z nátěru s obsahem hliníkových částic je velmi jednoduchá metoda zvláště vhodná pro rozměrné díly. Bohužel je zcela nepoužitelná pro alitaci nízkolegované oceli. Naopak metoda ponorem do taveniny hliníku je velmi vhodná i pro alitaci ocelí nízkolegovaných. Vytvořené povlaky touto metodou jsou také velmi rovnoměrné a kompaktní.
Po optimalizaci alitačních technik byly připraveny vzorky pro laboratorní i provozní korozní zkoušky s povlakem po celém povrchu. Laboratorní korozní zkoušky proběhly v modelové atmosféře N2 +9O2 +0,2HCl+0,08SO2 (obj. %) při teplotách 550, 600 a 650 °C. Jedna část vzorků byla exponována pouze v plynné atmosféře, druhá část v atmosféře a solném zásypu. Pro expozici byly použity speciální pece s plynotěsnými korundovými muflemi a elektronické směšovací stanoviště pro přípravu plynů. Byl potvrzen významný ochranný účinek povlaků, výsledky provozních zkoušek naznačují teplotní omezení použitelnosti na cca 600°C. Množství metalografických analýz prokázalo přítomnost vnitřní koroze ve vrstvě intermetalických fází.
Dále byly provedeny kinetické výpočty za účelem modelování rozpadu vrstev vlivem pokračující difuze hliníku do základního materiálu. Ukázalo se, že toto nebude dominantní degradační mechanizmus určující životnost povlaku.
Zcela specifickým výstupem práce je náhodný objev vynikajících korozních vlastností čistého hliníku v prostředích s obsahem sloučenin chloru. Tento jev byl sledován a popsán v rámci laboratorních zkoušek i v reálném provozu. Bylo provedeno pokusné krytí trubek výstupního přehříváku na návětrné straně (spalovna TERMIZO Liberec). Dosavadní výsledky jsou velmi pozitivní.

Laboratorní zkoušky povlaků atmosféra Provozní zkoušky povlaků
Laboratorní zkoušky povlaků – atmosféra Provozní zkoušky povlaků
Model pokračující difuze 16Mo3 650C Model pokračující difuze 347HFG 650C
Model pokračující difuze: 16Mo3/650°C Model pokračující difuze: 347HFG/650°C

Závěry
- Byla optimalizována metoda alitace z nátěru pro levnou aplikaci i na rozměrné díly (výhradně austenitické oceli).
- Byla navržena metoda alitace pomocí ponoru do taveniny hliníku (vhodná i pro nízkolegované oceli).
- Provedeny laboratorní i provozní korozní zkoušky povlaků – předpokládaný limit použitelnosti 600 °C (v prostředích s obsahem chloru).
- Dominantní degradační mechanizmus je vnitřní koroze intermetalických fází.
- Byly objeveny vynikající korozní vlastnosti čistého hliníku, provedeny zkoušky praktického použití.

text J. Mlnařík, J. Cizner, J. Hruška foto SVUM, a. s.