Hot corrosion in GT

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    1/83

    UNCLASSIFIED

    AD NUMBER

    LIMITATION CHANGES

    TO:

    FROM:

    AUTHORITY

    THIS PAGE IS UNCLASSIFIED

     AD870745

     Approved for public release; distribution isunlimited.

    Distribution authorized to U.S. Gov't. agenciesand their contractors; Administrative/Operational Use; MAY 1970. Otherrequests shall be referred to Office of the ofthe Director of Defense Research and 

    Engineering, Washington, DC 20301.

    ODDRE ltr 19 Oct 1970

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    2/83

    NMAB-2^0 

    MAY

     

    ^70*

    :

     

    Hot

     Corrosion 

    in 

    Gas 

    Turbines  

    ...

     Mechanisms

     

    Alloy & Coating

     Development

     

    Environmental

     

    Effects

     

    Evaluation 

    A

     

    Repor t

     

    o f

     |h e

     

    NATIONAL 

    MATERIALS 

    'ADVISORY OARD 

    j.

     

    ATIONAL

     REStARCH

     COUNCIL

     

    N iTIONAL

     

    ACADEMY

     OF 

    SCIENCES-NATIONAL

     

    ACADEMY

     OF

     ENGINEER1NC  

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    3/83

    «CESSIMMor

     _ 

    C F S T I 

    HIT SC3TIM 

    O O C U F F

     

    E C T I O «

     

    U N A H H O W C E D

     

    J U S T I F I C A r i W I 

    B Y

     

    DISTRIBUTIV

    /AVAIUBIl in T Ü E

     

    H I S T . 

    AVAIL

      4 / l (

    NATIONAL ATERIALS

     

    DVISORY OARD  

    DIVISION 

    F

     NGINEERING

     -

     NATIONAL ESEARCH

     OUNCIL 

    Chairman 

    iiam J. Harris,

     

    Jr. 

    sident of Research 

    m

     

    nd

     

    T

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    4/83

    HOT

     

    CORROSION

     

    GAS

     

    TURBINES

     

    ' MECHANISMS  

    ALLOY COATING

     DEVELOPMENT

     

    *' ENVIRONMENTAL 

    EFFECTS

     

    ' EVALUATION 

    REPORT

     OF  

    THE 

    COMMITTEE ON

     

    ATMOSPHERIC

     DETERIORATION OF SUPERALLOYS 

    NATIONAL 

    MATERIALS

     ADVISORY 

    BOARD

     

    Division of Engineering 

    -

     National 

    Research

     Council 

    This document is 

    subject

     to special 

    export

     

    controls nd

     

    each ransmittal

     

    o

     

    oreign 

    governments

     

    or foreign

     

    nationals 

    may 

    made only with 

    prior

     

    approval

     

    of

     he 

    Office

     

    of

     

    he 

    Director 

    of Defense

     Research

     

    and 

    Engineering

     

    Chief, Materials Division, 

    OADCT) .

     

    Publication 

    NMAB-260

     

    National 

    Academy

     of Sciences National 

    Academy

     

    o f 

    Engineering 

    Washington, 

    . .

     

    May

     1970 

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    5/83

    This 

    report

     is 

    one

     of a series in studies undertaken 

    by

     he 

    National

     Mater' 

    s

     

    Advisory

     

    Board

     for th e National Academy of Sciences and th e 

    National

     Academy

     

    of

     Engineering in 

    partial 

    execut ion 

    of

     

    work under 

    Contract

     

    No. A-49-083

     

    OSA- 

    3131 

    with

     

    th e 

    Department

     o f 

    Defense .

     

    A s 

    a

     part

     

    of th e National Research Counci l , he National Materials Advisory 

    Board

     

    performs

     

    tudy,

     evaluation, 

    or

     advisory 

    funct ions

     hrough

     groups

     

    com- 

    posed

     of

     

    individuals selected from academic, governmental, nd 

    industrial

     

    sources

     

    for

     

    their

     competence 

    or

     

    interest

     in 

    th e

     subject

     under

     

    consideration. 

    Members

     

    of

     these groups serve as ndividuals contributing 

    their personal

     know- 

    ledge

     and 

    judgment s

     and

     

    no t

     as

     representatives of

     

    an y 

    organization

     in

     which  

    they are emp loyed or with

     

    which 

    they

     may be associated. 

    The

     quantitative data publ i shed in this report are 

    in tended

     only o illustrate he  

    scope

     and substance of

     information considered

     in 

    th e

     study, 

    nd

     

    should 

    not

     

    be

     

    used for an y other purpose,

     uch

     as n specifications 

    or

     in design, nless so 

    stated. 

    No

     portion

     

    of this 

    report 

    may 

    e

     

    republished 

    without

     

    prior

     

    approval

     

    of th e National 

    Materials

     

    Advisory  

    Board. 

    Copies of

     this 

    report

     

    are no t

     

    available 

    from

     

    th e

     Clearinghouse for Federal

     

    Scientif ic and Technical 

    Information CFSTI). 

    Qualif ied requesters 

    m ay pply

     

    th rough

     

    Defense

     

    Documen ta t ion

     

    Center.

     

    Those

     

    who

     

    do

     

    no t

     use 

    he

     

    Defense

     

    Documen ta t ion Center may pply o 

    th e

     National 

    Materials

     

    Advisory

     Board.

     

    ii

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    6/83

    NATIONAL 

    MATERIALS ADVISORY

     BOARD

     

    COMMITTEE ON ATMOSPHERIC DETERIORATION OF SUPERALLOYS 

    Chairman: Dr. 

    Robert I.

     affee, enior

     

    Fellow 

    and

     Associate Manager, Materials 

    Science

     and

     Technology, Department 

    o f

     

    Physics, 

    Battelle Memorial 

    Institute,

     

    05

     

    King

     

    Avenue,

     

    Columbus,

     Ohio

     

    3201.

     

    Members: 

    Mr. 

    Charles C.

     Clark, n

     Charge, Aerospace Power, The Inter- 

    national Nickel Company, nc., 7 Wall Street, 

    ew

     York, 

    ew

     

    York 10005. 

    Dr. Matthew

     

    J. 

    Donachie,

     

    Jr.,

     Development Metallurgist, MDL-J 

    Building, 

    Pratt

     & Whitney Aircraft, East 

    Hartford,

     Conn.

     

    06108. 

    Dr. William R. reeman, Jr., Director, Materials Laboratories, 

    AVCO

     Lycoming

     

    Division,

     

    50

     

    S.

     

    Main

     

    Street,

     

    Stratford,

     

    Conn.

     

    6497.

     

    Dr. William

     Hagel, 

    Head,

     

    Metallurgy Division,

     

    Denver 

    Research

     

    Institute,

     University

     

    o f

     

    Denver, University

     Park, 

    Denver, 

    Colo.

     

    0210.

     

    Mr. 

    aul

     E.

     Hamilton,

     ection Chief,

     

    nvestigations Development 

    Metallurgy, Aircraft 

    Engine

     Operations, Allison Division, General 

    Motors 

    Company, 

    . . ox 

    894,

     ndianapolis,

     

    ndiana 

    6206.

     

    Dr.

     Robert A . 

    Rapp, 

    Professor, Metallurgical

     

    Engineering,

     

    College

     

    of Engineering,

     

    h io 

    State

     

    University, Columbus,

     Ohio 43210. 

    Dr.

     

    Alan 

    U.

     

    Seybolt, 

    Metallurgy Ceramics

     

    Laboratory,

     General 

    Electric Company,

     & D

     

    Center, 

    P.O.

     Box

     8, Schnectady,

     

    ew  

    York 

    12301.

     

    Dr.

     

    William

     

    E.

     Young,

     Manager, Combustion, Corrosion

     & MHD

     

    Section,

     

    Heat Transfer Power 

    Generator

     

    R&D , 

    Research

     and 

    Development 

    Center,

     Westinghouse Electric 

    Corporation,

     Churchill 

    Borough,

     

    Beulah 

    Road,

     

    ittsburgh, 

    ennsylvania 

    15235.

     

    iii

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    7/83

    Liaison 

    Representatives: 

    Dr. 

    Hubert

     B.

     robsc,

     

    Head, Oxidation 

    and

     

    Refractory 

    Compounds

     

    Section, ASA 

    Lewis

     Research

     Center,

     1000

     

    Brookpark

     

    Road,

     

    Cleveland, h io

     

    44135. 

    Mr. Milton 

    Levy, Army 

    Materials 

    Mechanics

     

    Research 

    Center, 

    Watertown, Massachusetts 02172.  

    Mr.

     

    Henry

     Morrow, . . Army Aviation Materiel Laboratories, 

    Fort

     Eustis, Virginia 

    23604. 

    Mr. 

    George

     J. 

    Danek,

     Jr., Naval

     Ship

     Research and Development

     

    Center,

     

    Annapolis, Maryland

     21402.

     

    Mr. rving Machlin, Materials 

    Engineering, AIR-52031B,

     Naval 

    Air 

    Systems

     Command, Department of

     

    the Navy, 

    Washington,

     

    D .

     

    .

      20360.

     

    Mr. Norman 

    M .

     Geyer, Air Force 

    Materials

     Laboratory, MAMP )

     

    25-53136,

     Wright-Patterson Air

     Force 

    Base,

     Ohio

     

    45433, 

    Mr. ohn 

    C .

     Barrett, DDR&E ,

     Office

     

    of

     

    Assistant

     

    Director

     for

     

    Chemical

     

    Technology, 

    Room 3D117, 

    The 

    Pentagon, 

    Washington,

     

    D. . 0310.

     

    NMAB

     STAFF:

     

    Dr. 

    oseph R.

     ane, 

    taff

     

    Metallurgist, 

    National Materials

     

    Advisory

     

    Board, 

    Division

     

    of 

    Engineering, National Research

     

    Council, NAS-NAE, 101 

    Constitution

     Avenue, . W., 

    Washington,

     . .

     

    0418.

     

    iv

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    8/83

    SUBGROUPS

     

    of the 

    COMMITTEE ON ATMOSPHERIC DETERIORATION OF SUPERALLOYS 

    Mechanisms

     

    Dr. Alan

     

    U.

     

    eybolt,

     

    Chairman

     

    Dr. 

    William

     Hagel 

    Dr. Robert

     

    A. Rapp 

    Alloy Coating Development 

    Mr. Charles

     

    C . Clark, Chairman 

    Dr. 

    Matthew J.

     

    Donachie,

     Jr. 

    Mr. aul E. Hamilton 

    Environmental Effects 

    Dr. 

    William

     

    E.

     

    Young,

     Chairman 

    Dr. William R. reeman 

    Aided

     

    by Contributions From 

    Mr. 

    Norman

     Bornstein, United Aircraft 

    Research Center 

    Mr. 

    A . DeCrescente,

     

    United Aircraft 

    Research Center 

    Mr.

     

    rving Machlin,

     Naval 

    Air Systems 

    Command

     

    Mr. Warren Kentz,

     AVCO 

    Lycoming

     

    Div. 

    Miss

     

    E. J. 

    MacNair, 

    Ministry

     

    of 

    Defense,

     

    Bath, England 

    D .

     R. 

    Carlisle,

     

    Rolls 

    Royce 

    Industrial,

     

    Ansty,

     England 

    Henry 

    L. 

    Morrow, . S. Army Aviation 

    Materials

     

    Laboratory 

    Jeremy

     

    J. Walters, 

    VCO Lycoming 

    Irving

     Machlin, 

    Naval Air 

    Systems

     

    Command 

    R. 

    M . 

    Shir'mer, 

    hillips

     

    Petroleum

     

    Alan 

    U.

     

    eybolt, 

    General

     

    Electric

     

    G. . Danek, Naval Ship Research and 

    Development 

    Laboratory

     

    Hubert 

    B. Probst, NASA

     

    Lewis 

    Research 

    Center

     

    W. T. 

    Reid,

     Battelle

     Memorial 

    Institute

     

    W. E. Somgrs,

     

    Pujlic

     

    Service

     Electric

     

    and Gas Company 

    G.

     . 

    Widers

    urn, 

    Philadelphia 

    Electric

     

    Company 

    Evaluation

     

    Dr. 

    William

     

    R.

     reeman, Chairman 

    Mr. aul E. Hamilton 

    Mr. George J. Danek, 

    Naval

     Ship  

    Research

     and Development 

    Laboratory

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    9/83

    CONTENTS

     

    Abstract ii 

    I.

     

    INTRODUCTION

    H .

     

    MECHANISMS

    A .

     

    ot

     Corrosion Attack

    B.

     

    igh-Temperature 

    Oxidation

    IE.  MATERIAL AND 

    COATING

     DEVELOPMENT

    4

     

    IV.

     

    ENVIRONMENTAL EFFECTS 0  

    V. 

    EVALUATION 9

     

    A . 

    Recommendations

    9

     

    VI.

     

    SUMMARY OF 

    CONCLUSIONS

     AND RECOMMENDATIONS

     

    Appendices 

    I.

     

    Recommendations 

    from 

    Coating Systems for

     

    Gas Turbine Engines 4  

    1 1 .

     

    Round Robin

    Hot 

    Corrosion

     Testing 

    Program 7  

    vi

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    10/83

    ABSTRACT

     

    Hot

     

    corrosion (sulfidation)

     

    gas

     

    turbine

     

    engines 

    has 

    become

     

    a

     major 

    problem

     

    because 

    of

     the

     increased

     

    use of

     

    al loys

     

    lo w

     

    in

     

    chromium and th e operation 

    in 

    environments

     

    containing 

    alkali

     

    metal 

    salts,

     especially

     

    near sea water. 

    The

     mechanism 

    of

     

    attack

     

    is

     

    understood

     

    to

     

    some

     

    extent,

     

    ut

     

    more

     

    work

     

    is

     

    needed.  It

     is

     clear

     that 

    sodium

     and other 

    alkali

     metal 

    salts are

     i nvo lved . 

    Sodium

     

    sulfate 

    is ngested

     

    with

     

    the

     

    combustion

     

    air 

    or 

    formed

     from

     the

     sulfur

     

    in 

    th e

     

    fuel,

     

    and reacts with the metal oxide scale 

    acting

     as n 

    Na20

     sink to

     form

     

    a

     

    comp lex 

    sodium

     

    salt. After scale 

    breakdown,

     sodium sulfate

     

    may

     attack

     

    the 

    underlying

     

    metal, orming

     

    sulfides.  The

     

    presence of NaCl in the 

    gas

     nd 

    a

     

    l iquid

     salt film 

    seem to 

    be

     

    required

     

    for accelerated attack.

      Coatings,

     l loy modification, nd 

    additives

     

    to

     

    the 

    fuel 

    all

     

    help

     alleviate the

     

    immediate

     

    problem.

      Al loy development,

     

    dispersion

     hardened and 

    fiber

     strengthened 

    alloys,

     nd 

    rare

     earth additions to

     

    superalloys m ay offer longer-range 

    solutions.

      Target 

    performance

     

    properties 

    are

     needed

     

    to 

    focus

     

    the

     future

     

    research

     

    and 

    development 

    work. 

    Sulfur

     can

     

    enter a

     

    gas turbine

     

    from

     

    the 

    fuel, nd 

    chloride 

    and 

    sulfate 

    salts

     

    from 

    th e

     

    air.

    There 

    is

     

    little 

    prospect

     for 

    removal 

    of 

    these

     contaminants 

    to such 

    a

     degree 

    as

     

    to 

    eliminate 

    th e

     problem.

      However ,

     rom 

    10

     

    to

     

    75% of 

    sea salt 

    can 

    be  

    removed

     

    from

     

    the air

     

    intake

     

    to retard

     

    the

     

    attack. 

    Data on

     

    tolerable

     

    levels

     of con-

     

    taminants are

     needed. 

    Engine

     

    testing

     

    is still

     

    th e only

     reliable

     evaluation

     method

     

    to

     

    check 

    im- 

    provements

     in

     the

     

    hot 

    corrosion

     

    resistance 

    of 

    materials.

     

    Test

     

    rigs are common ly  

    used 

    fo r

     a preliminary 

    evaluation of

     

    hot 

    corrosion

     resistance. Reproducibility

     n  

    test 

    results

     from

     test

     

    rigs 

    n

     

    different laboratories

     

    s very poor,

     nd 

    further effort 

    toward

     test

     

    rig 

    standardization,

     

    correlation

     

    of

     the data 

    between

     different

     

    tests,

     

    nd

     

    interpolation

     

    of tests results nd

     

    extension

     

    to

     

    different

     

    testing

     

    conditions, all are 

    needed. 

    Specific

     

    recommendations for attacking th e hot 

    corrosion 

    problem are

     

    detailed in

     

    th e

     

    report. 

    vil 

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    11/83

    I. 

    INTRODUCTION 

    The Problem 

    A s temperatures in

     th e

     

    turbine section

     

    of

     

    gas turbine 

    engines

     

    have

     

    increased,

     

    n

     

    increasing

     

    amoun t

     

    of

     

    environmental 

    attack

     has been

     

    encountered 

    in

     

    th e

     superalloy

     parts.

    Operational

     

    personnel

     

    generally 

    have ascribed the problem 

    to

     

    hot corrosion

     

    or 

    sulfidation,

     whereas

     

    the 

    real

     problem

     

    m ay

     

    have 

    been

     

    excessive

     

    oxidation

     

    du e 

    to 

    overtemperature.  For whatever cause,

     

    he

     

    results of this

     

    attack 

    penalizes engine

     

    performance

     

    by 

    a

     severe 

    restriction

     

    in

     

    operating

     

    life. 

    The major 

    limitation 

    on

     turbine

     

    inlet temperature 

    is the 

    strength 

    of

     

    the

     

    turbine

     rotor-blade and 

    stator-vane

     materials. 

    There 

    have

     

    been 

    major 

    improve-

     

    ments in

     

    the

     

    high-temperature

     

    strengths 

    of

     

    these

     

    materials,

     

    primarily

     

    through

     

    th e

     use of strong casting alloys,

     ardened

     

    by

     a substantial

     

    vo lume

     

    fraction 

    of 

    the 

    coherent

     

    y' precipitate, 

    Ni,

     Co)

     AI, 

    Ti). 

    However , he major

     

    means

     

    for

     

    achiev- 

    in g

     

    higher

     gas 

    temperatures in

     

    the

     

    turbine

     

    is

     

    through the use of air cool ing ,

     

    where- 

    by a 

    small 

    percentage

     

    of 

    the

     

    inlet

     

    air

     

    is diverted

     

    through

     

    cooling

     

    passages

     

    in

     

    the 

    ho t

     

    turbine 

    blading 

    an d vanes. 

    Through 

    this means, 

    he

     

    temperature

     

    of these 

    parts 

    is

     

    owered

     about 400-500

    o

    F

     222-288

    0

    C) below

     

    the gas 

    temperature

     to

     

    the

     

    poin t

     

    where

     

    their strength capability is sufficient.

     

    Up to th e

     

    present time,

     

    orrosion 

    and 

    oxidation

     

    resistance have no t 

    been design considerations in

     

    aircraft

     

    gas 

    turbine

     material selection

     

    other 

    than  

    that 

    the

     

    materials 

    resist th e

     environment, 

    hich

     

    superalloys

     

    ontaining abou t

     20%

     

    chromium

     do adequate ly

     

    up to 

    the

     temperature

     

    at 

    which strength

     is

     maintained,

     

    abou t 

    leSO'F (899

    0

    C ).  However , he

     development of the

     stronger

     

    gas

     

    turbine

     

    alloys

     

    was

     facilitated

     

    by 

    a

     reduction

     

    in

     

    chromium 

    content 

    to abou t 10%

     

    chromium, 

    to

     

    permit

     

    an increased

     

    amoun t

     

    of

     y' hardening

     

    from

     

    Increased contents 

    of

     

    aluminum

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    12/83

    and titanium.

     

    The

     

    high

     

    aluminum

     

    content maintained

     

    th e

     

    oxidation

     

    resistance

     

    but 

    not sulfidation resistance

     

    equivalent

     

    to th e higher chromium content.

     

    Hot

     

    corrosion

     

    is an

     

    accelerated oxidation

     

    in

     

    the

     

    presence 

    of 

    NaCl and 

    Na

     SO

     

    usually 

    due

     

    to operation

     

    in marine

     

    environments.

     

    It

     

    also 

    includes

     attack 

    by

     

    lead 

    vanadium

     

    and

     other fuel 

    contaminants.

     

    The reduced oxidation

     and

     hot 

    corrosion

     

    resistance

     

    has

     

    been 

    combated 

    by 

    coating th e 

    hot componen t s

     

    with  

    aluminide-type

     

    coatings.

     

    The

     

    coating 

    procedure entails 

    additional

     

    expense and

     

    a

     problem with 

    reliability 

    compared with

     

    th e former situation

     

    where

     

    uncoa ted

     

    alloys

     with adequate oxidation

     and 

    corrosion 

    resistance 

    were

     

    operated 

    at

     lower 

    gas temperatures. 

    The Commi t t ee

     

    The Department of 

    Defense ,

     ecognizing th e 

    seriousness

     

    of

     th e

     ho t  

    corrosion

     

    problem, sked

     

    th e 

    National

     Research Counc i l to organize a

     

    committee

     

    to review th e problem.  The Committee, which

     

    was 

    assembled 

    by th e 

    National  

    Materials Adviso ry 

    Board,

     s shown on

     

    page 

    iii.

     

    Members

     

    of 

    th e Committee, 

    act ing 

    as

     

    individuals

     

    and not

     as representatives of their employers,

     

    ontributed 

    their services.

      The

     

    Committee

     reflected 

    varying

     viewpoints 

    ranging from 

    basic 

    researchers

     to 

    those of

     stationary

     and aircraft

     

    gas

     turbine manufacturers. 

    Method

     

    of

     

    Operation

     

    After

     initially considering their individual positions 

    and

     viewpoints on  

    th e 

    problem,

     

    he

     

    Committee

     divided their

     

    consideration into 

    four

     areas: 

    mechanisms, materials 

    deve lopment ,

     nvironmental 

    effects,

     nd testing and

     

    evaluation,

     

    each

     

    of 

    which

     

    was assigned to a 

    subgroup.

      The remainder of this

     

    report

     

    comprises th e

     findings

     

    of

     

    th e

     four 

    subgroups, 

    ol lowed

     by

     overall conclu- 

    sions

     and  

    recommendations. 

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    13/83

    II.

      MECHANISMS 

    Introduction 

    In this entire report, mphasis has been

     

    placed on hot corrosion or 

    sulfidation of superailoys,

     

    s opposed 

    to

     their oxidation, 

    ecause

     

    this

     ype of 

    reaction

     

    is

     a

     

    matter 

    o f 

    the 

    most immediate

     

    concern and 

    study in

     current

     

    engine

     

    service.

     

    The

     

    subject of

     

    hot corrosion is discussed first. 

    It is 

    generally

     

    agreed that 

    the basic corrosion

     

    attack occurring

     

    in

     

    hot 

    corrosion or sulfidation is 

    oxidation which

     occurs in 

    a

     very rapid or

     

    near- 

    catastrophic

     manner 

    because

     of the 

    disruption

     caused

     

    by the existence o f a salt 

    film of the normally protective scale.  In addition, 

    ulfides 

    form 

    inside

     the sur- 

    face grains 

    and

     

    sometimes

     deep along grain 

    boundaries

     o 

    cause

     

    serious

     degrada- 

    tion

     

    o f structural integrity of the alloy. 

    As

     

    has 

    been pointed

     

    out

     

    in many publications see, or 

    example, 

    he 

    recent

     

    ASTM

     

    Symposium

     

    on this

     

    subject),

     he

     immediate

     agent

     responsible

     

    for 

    hot corrosion in aircraft 

    engines 

    s

     

    Na SO which forms from chemical reactions 

    taking place between NaCl

     

    n sea air and sulfur in the luel, s 

    well

     as from 

    the

     

    appreciable 

    content

     of Na„SO, n sea air.  There is also evidence that NaCl-Na^SO, 

    4

    mixtures

     

    are

     

    more

     corrosive

     

    han

     

    Na

     

    SO

     

    alone.

     

    While

     

    the

     

    same

     

    type

     

    of

     

    hot

     

    corrosion 

    attack

     has been 

    observed

     

    in

     stainless steels 

    subjected

     to 

    SO

      atmos- 

    pheres  ttention here s focused

     

    on the 

    problem

     

    caused

    by Na SO

     

    in 

    aircraft

     

    jet

     engines and

     marine 

    gas urbines. 

    DeCrescente and 

    Bornstein

      have shown that Na^SO, must be present 

    2  4 

    on

     the attacked surface as a condensed

     phase,

     

    rdinarily

     a liquid, 

    o

     cause hot 

    corrosion. 

    SO apor 

    did

     

    not 

    cause hot corrosion. or

     

    this

     reason,

     

    most 

    investigations

     

    have

     

    found

     

    that

     

    for

     

    pressures

     near

     

    atmospheric

     

    his

     

    accelerated

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    14/83

    attack

     

    occurs 

    over 

    th e

     

    temperature

     range

     

    of

     

    about

     HOO-ISOOT.

     

    In

      qualitative 

    agreement 

    with

     th e effect

     

    of pressure

     

    n

     

    th e

     

    dew po in t

     

    of 

    Na

     

    SO  he temperature 

    range

     

    of attack 

    is increased

     with

     

    higher

     

    total

     pressures.

     

    There has been

     

    comparatively 

    ittle 

    work

     

    aimed

     

    at 

    understanding

     th e  

    mechanism

     of oxidation as 

    altered 

    by

     

    th e

     presence 

    of

     

    contaminants uch 

    as salts

     

    like 

    Na

     

    SO

     NaCl , or 

    low-melting

     oxides uch

     

    as V O

     

    These

     

    materials can 

    form 

    l iquid

     slags 

    and

     

    hence 

    cause

     

    catastrophic 

    oxidation

     

    by

     

    virtue

     

    of

     

    removal

     

    of

     

    protective scales.  This

     

    field of

     

    high

     temperature 

    corrosion

     has

     recently been 

    reviewed by Hancock,  In

     

    this review, 

    nearly

     all th e investigations 

    reported

     

    were

     concerned with examination of field-returned

     samples

     or 

    with

     

    attempts

     in

     

    th e

     

    laboratory to 

    make

     

    high-temperature

     

    corrosion tests

     

    which

     essentially

     

    dupli- 

    cated field conditions.  Very

     

    little work 

    aimed

     at elucidating

     

    mechanisms

     

    has

     been

     

    reported, 

    particularly 

    in

     simple systems amenable 

    to

     scientific analysis. 

    A .

     

    Hot

     

    Corrosion 

    At tack

     

    Characteristics

     

    The

     

    alloys of main concern 

    here 

    are used

     

    as first-

     

    or second-stage 

    blades and

     vanes

     in

     aircraft

     

    engines, 

    nd 

    are

     th e

     

    nickel-base

     superalloys con- 

    ta ining

     typically 

    6-22%

     Cr, 

    -26%

     Co, -10% of either

     

    Ta, o or W, -6%

     

    A l,  

    0-5%

     Ti, nd

     

    small fractional

     

    percentages of carbon and other

     

    elements.  A  

    sample showing

     

    severe hot corrosion attack exhibits a heavy surface

     

    layer

     

    of 

    oxides,

     

    nd

     

    just

    below

     this

     

    layer,

     

    xides

     

    intermingled

     

    with

     

    alloy-depleted

     

    nickel

     

    matrix, nd below

     this 

    level, hromium 

    sulfide

     particles

     which

     

    m ay 

    contain

     

    appreciable percentages

     

    of

     

    Ni,

     

    o, A l,

     

    Ti, nd refractory 

    metals.

     

    A s

     

    corrosion

     

    proceeds,

     he

     

    chromium

     

    sulfides

     are converted

     to

     oxide

     

    with

     th e 

    sulfur

     atoms

     

    t hus released diffusing more deeply

     

    into th e alloy to form more sulfides.  The  

    alloy

     matrix

     surrounding th e 

    chromium

     sulfides

     is 

    depleted

     in

     chromium

     to

     

    an

     

    appreciable 

    extent and would be

     

    expected

     

    to

     

    oxidize

     

    more

     

    readily 

    than

     

    th e

     

    original 

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    15/83

    alloy. 

    However ,

     his

     effect

     is considered to 

    be

     of less 

    importance

     than 

    th e

     

    rapid

     

    oxidation attack proceeding at 

    th e

     

    oxide/alloy

     interface because

     

    th e oxide

     

    scale 

    fails

     

    to act 

    as

     

    a diffusion barrier, s would occur in normal

     

    air oxidation.  Chro- 

    mium sulfides

     both

     in grains and in

     

    grain boundaries cause loss

     

    of structural 

    integrity,

     nd

     in cases where

     

    such sulfides

     are

     formed deeply along grain bound-  

    aries, 

    severe

     reduction

     in

     mechanical

     properties results.  Such

     

    reductions in  

    mechanical properties

     are

     particularly

     

    severe

     

    in 

    blades,

     

    which

     

    are 

    highly

     stressed

     

    as compared to vanes. 

    Some recent

     

    ho t

     

    corrosion experiments

     

    on 

    a

     

    variety

     of 

    alloys 

    appear 

    to 

    confirm

     

    th e

     original 

    suggestion of

     

    Simons

     

    et

     

    al

     

    hat 

    th e 

    catastrophic

     

    nature 

    of th e corrosion attack

     

    invo lves

     rapid 

    oxidat ion of 

    Ni S 

    Ni 

    eutectic

     

    liquid.

      This 

    liquid 

    usua l ly 

    is short-lived, 

    nd

     may not 

    be

     visible

     

    in 

    an

     alloy cooled

     

    to room 

    temperature because of 

    th e displacement reaction 

    (7)

     

    see

     below). 

    On th e

     

    other

     

    9

     

    hand,

     

    Bornstein

     

    an d

     

    DeCrescente

     

    have

     

    found

     

    that

     oxidation

     

    attack 

    of

     several 

    different

     alloys in th e presence

     

    of NaNO 

    salt

     closely

     

    simulates

     

    hat for NaSO  

    attack.  The conclusion reached is 

    that

     sulfur

     and

     alloy

     

    depletion are

     

    not he 

    important

     aspects

     of

     

    hot 

    corrosion,

     ompared

     to

     

    th e presence

     of

     

    sodium

     com- 

    pounds. 

    Hot-corrosion resistance 

    can be

     

    achieved 

    by 

    preventing

     attack

     

    by

     th e  

    salt

     of 

    th e

     initial oxide

     

    layer on

     

    th e 

    alloy.

      This

     salt-oxide reaction

     

    will

     be  

    considered

     

    first. 

    Scale

     - 

    Salt Interaction 

    Since

     

    Na

     SO 

    is a very

     stable 

    compound

     

    there is

     

    very little 

    thermal

     

    decomposition

     

    of

     Na 

    SO

      according 

    to 

    th e

     

    fo l lowing reaction: 

    Na

    2

    S0

    4

     = a

    2

    0 + S0

    2

    +i

    2

    . 1) 

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    16/83

    However, f there is available an

     

    Na O

     

    sink which

     

    effectively

     

    retains

     

    an

     

    Na

     

    activity 

    well below unity which

     

    is assumed by equation 1) , hen Na O

     

    can 

    continually

     

    decompose.  Formation 

    of

     complex oxides 

    involving 

    Na 

    O and

     oxides

     

    normally

     

    present

     

    in the oxide 

    scale,

     uch

     

    as Cr O Al

      iO

     

    r

     

    WO 

    an

     

    4

     

    serve

     

    as sinks 

    for

     

    the 

    Na„0

      by such

     

    reactions as: 

    2

     

    2Na

    2

    S0

    4

     Cr

    2

    0

    3

     |0

     - »

     2N a

    2

    Cr0

    4

     

    2S0

    2

     

    2)

     

    Experimental

     corroboration of

     Na

     O-oxide

     

    interaction 

    has

     

    been observed

     

    by

     

    5

     

    Bergman

     and Kaufman

    who

     found 

    X-ray

     diffraction patterns

     

    for

     

    sodium ungstate, 

    sodium

     

    tantalate,

     

    nd

     sodium

     titanate in corrosion products on hot-corroded

     

    superalloys.

     

    imilarly

     

    an

     NiO 

    scale breakdown by

     

    Na SO  would

     occur 

    according 

    to

     the

     following

     reaction:

     

    Na SO  + 2NiO

     

    Na NiO  

    +

     

    SO

    3)

     

    2   4 

    6

     

    NaNiO

     

    has been

     

    reported

     

    by

     

    Bornstein.

     

    Alternatively

     

    NiO

     

    may

     

    break 

    down

     

    d

    according

     

    to

     

    the

     

    following reaction:

     

    Na SO  +

     

    NiO  (N a O in 

    NiO)

     SO  +  ̂ O 4)  

    Z r

     

    A

     

    combination of both

     

    reactions, 3) and 4) , may

     

    be

     operative.

     

    That

     NiO

     can

     

    1

     

    dissolve some

     

    Na

     O

     has been suggested by

     

    Danek ,  and Quets

     

    and Dresher.

     

    2

     

    The

     actual mechanism of

     scale breakdown

     is

     

    probably 

    more complex than 

    that

     

    suggested, ut it seems

     

    obvious hat, or an understanding of

     

    the

     

    hot 

    corrosion 

    mechanism,

     

    he

     area

     

    of

     

    salt/oxide

     

    interactions

     

    should

     

    be

     

    carefully

     

    investigated.

     

    Although 

    they

     have 

    not as yet 

    developed

     

    a

     detailed

     

    theory, 

    DeCrescente 

    and Bornstein indicate

     

    from 

    their 

    work on molten

     

    salts

     

    EMF measurements and

     

    SO 

    evolution)

     hat

     

    they

     

    have evidence hat the presence 

    of

     oxides 

    such

     as 

    Cr

     O  

    on

     an 

    alloy

     

    reduces

     

    the 

    Na

     O

     concentration by

     

    formation 

    of 

    Na CrO 

    and

     thus

     

    2

     

    4

     

    lessens

     

    hot corrosion attack.

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    17/83

    Alloy-Salt

     Interaction 

    Once 

    th e

     

    oxide scale

     

    has

     

    been

     

    penetrated, he

     

    next

     

    stage

     of 

    attack

     

    is 

    reaction 

    between 

    condensed

     

    Na^SO,

     

    or

     

    Na„SO

     NaCl

     and

     

    th e alloy itself.  Various 

    2  4 4

    investigators have 

    suggested 

    reactions based

     

    on th e early

     

    work 

    of 

    Simons who  

    suggested

     

    reaction

     

    equivalent

     

    to 

    th e

     tcilowing:

     

    4M

     

    +

     

    Na

     

    SO

     

    =

     

    a

     

    O

     

    +

     

    3MO

     

    +

     

    MS.

    5)

     

    4

     

    However , 

    Quets

     

    and

     

    Dresher

      have shown by 

    th e

     use

     

    of Pourbaix-EUingham

     

    diagrams

     

    that

     

    pure

     Na 

    O,

     

    which

     

    has 

    been considered 

    as 

    an

     

    important 

    product 

    of

     

    th e

     

    hot

     

    corrosion

     attack

     by Na SO 

    cannot 

    exist 

    at

     unit

     

    activity

     with 

    th e

     

    products

     

    Ni

     

    S

     

    iS

     

    or 

    C rS 

    as 

    would 

    be

     

    required

     by

     

    equat ion 

    5).

     For

     this reason,

     quation

     

    (5) must

     

    be modified for both th e 

    case

     of

     

    M =

     Ni

     or

     M

     =

     

    Cr. 

    If

     th e Na„SO. reacts

     

    2  4

     

    with

     

    the metal

     

    to form 

    a

     ternary sodium 

    oxide

     and 

    binary sulfide,

     a modified

     

    reaction

     

    becomes

     possible:

     

    xM+NaSO,  =Na„MO

     

    +M S

    6)

     

    4

     

    y  (x-y)

     

    In support

     of 

    this

     mechanism, 

    he 

    stabilities 

    of

     th e 

    ternary sodium

     

    oxides

     

    extend

     

    to 

    much higher

     

    values 

    of

     P 

    than 

    those for

     pure

     

    Na

     O.

     

    This mechanism 

    is

     very similar to

     

    th e

     

    one

     proposed

     

    for

     th e

     oxide  

    scale

     

    breakdown.

     

    However , ince th e reaction

     

    occurs 

    at

     th e metal-scale inter- 

    face,

     

    ts

     

    oxygen

     

    potential

     

    is

     

    set

     

    by

     

    that

     

    interface.

     

    Dur ing

     

    sulifidization,

     

    he

     

    oxygen potential at th e metal-scale interface should

     

    be approximately th e same

     

    as

     

    for 

    a

     Ni-NiO 

    interface

     

    because 

    of

     th e chromium

     depletion

     in

     

    th e 

    alloy.

      For 

    th e formation 

    of

     a 

    ternary

     sodium 

    salt, 

    he 

    sulfur 

    potential is 

    high enough to

     

    allow

     th e formation

     of nickel

     sulfides.

     

    However , 

    ue

     to th e displacement reaction 

    Cr,.  ..

     

    +NiS 

    rS

     +

     Ni,

      „  7)  

    (in

     

    al loy)

     in 

    al loy) 

    NiS

     

    shou ld

     

    be reduced

    by

     

    th e matrix 

    chromium

     to 

    form 

    the

     more stable chromium 

    sulfide. 

    But

     if 

    th e

     chromium

     

    content 

    in 

    th e 

    al loy

     

    s

     rather

     

    low, 

    eaction

     7) 

    does  

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    18/83

    not

     occur

     

    apidly

     

    or 

    completely 

    enough

     

    to

     reduce all

     

    th e 

    NiS.

     

    Therefore, n  

    severe cases

     

    of hot corrosion,

     

    iS actual ly

     

    Ni on cool ing

     

    to 

    room 

    tempera- 

    O  It

     

    ture) m ay be left 

    in

     th e 

    structure.

     

    Effect 

    of 

    Al loy Compos i t ion*  

    A s

     might be expected for a class of alloys with a very

     

    complex and 

    widely

     variable composition, he individual 

    effects 

    of al loy components

     

    on 

    re-

     

    sistance

     to 

    ho t 

    corrosion 

    is

     

    no t

     

    unambiguous . 

    Certain 

    generalizations

     can

     be

     

    made, such as

     

    that resistant alloys 

    usually

     contain fairly high chromium 

    con-

     

    tents,

     around 15% Cr 

    or

     higher. 

    There appears

     to

     be

     

    agreement that 

    molybdenum  

    is

     

    harmful,

     

    bu t th e behavior 

    of

     other

     

    al loying

     

    elements

     

    s

     ess 

    consistent, nd  

    therefore not clearly

     

    established.  Better understanding of compositional

     

    effects

     

    migh t 

    be

     obtained

     after

     

    some of

     

    th e 

    scale-Na

     SO 

    and

     

    alloy-Na

     SO  interactions 

    are

     further 

    elucidated.

     

    Research for

     

    Defining

     Mechanisms

     

    The most important 

    areas

     

    for 

    additional

     research are 

    th e

     

    salt/scale 

    and salt/alloy interactions

     

    n th e temperature

     

    range

     

    of hot. corrosion, nd oxygen/ 

    al loy

     

    nteractions

     

    at

     higher

     temperatures.  Ano the r

     

    area 

    which 

    needs 

    attention

     

    is th e

     stabilities

     thermodynamics)

     

    of

     

    ternary 

    odium

     oxides. 

    Water

     

    vapor,

     product

     

    of

     

    combus t i on , as

     

    no t 

    been 

    seriously

     

    con-

     

    sidered

     thus far

     

    as corrosion 

    variable,

     

    but

     it

     

    seems possible

     

    that 

    water vapor

     

    in th e 

    eng ine

     might be

     

    significant in  view of

     

    th e

     

    ability 

    of

     water vapor to cause 

    oxidation at 

    eng ine

     operation

     

    temperatures.  Further

     

    study

     

    is

     

    ndicated. 

    7  

    The

     

    suggestion 

    of 

    DeCrescente

     

    and

     

    Bornstein 

    hat

     

    additions 

    of 

    cer-

     

    tain oxides

     

    affect th e Na SO

     

    alloy

     

    reaction

     should be investigated 

    further,

     s 

    this 

    obviously

     would be

     significant 

    with regard

     

    to 

    th e

     type

     of

     corrosion 

    mechanism

     

    operating. 

    *A more

     

    detailed discussion of 

    th e 

    effect of

     

    al loy

     composition

     of ho t corrosion is 

    given

     

    in

     

    th e

     

    next

     

    section 

    on

     

    Material

     

    and

     

    Coat ing

     

    Deve lopment .

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    19/83

    Since there is

     th e 

    possibility of using vanadium-containing fuels in 

    gas 

    turbines associated 

    with

     ship

     

    propulsion,

     

    o

    0  contamination or

     

    possibly contam- 

    2 5  

    ination

     

    by other fuel 

    components

     

    should be studied.  Some 

    work 

    along

     

    these lines 

    has

     

    already

     

    been

     

    done, 

    as

     

    shown

     

    in

     

    reference

     

    3,

     but as

     in

     

    th e

     

    Na 

    SO  contamina- 

    t ion case,

     uch

     more work

     on

     

    mechanisms remains o 

    be 

    done.

     

    Closely

     associated

     

    with

     

    ph enomena

     

    already 

    mentioned

     is

     

    he

     

    question

     

    of sulfur 

    diffusion

     

    a long

     

    grain

     boundaries 

    an d in th e grains of

     

    nickel-base

     

    super-

     

    alloys.  This solid-state

     diffusion

     process 

    is

     of prime 

    importance 

    in

     

    th e 

    formation 

    of

     th e chromium sulfide inclusions so characteristic

     

    of hot corrosion.  One 

    aspect 

    that

     is

     of 

    considerable

     

    practical

     

    importance is

     o

     

    ascertain 

    those

     

    conditions which  

    lead to excessively

     

    deep

     grain

     boundary

     

    penetration 

    by sulfur. 

    Like sulfur, oxy- 

    gen

     tends

     to

     concentrate

     in grain

     

    boundaries and

     

    to

     

    form

     

    internal 

    oxides

     

    much  

    deeper

     along the

     al loy

     

    grain

     

    boundaries than

     in 

    th e bulk

     grains.

     

    Research on Reducing 

    Hot 

    Corrosion 

    There appear

     to

     

    be

     four

     

    main

     

    avenues 

    of

     research

     

    aimed 

    at 

    reducing 

    hot corrosion 

    attack. 

    Alloy

     Composition

     

    By comparatively

     minor changes 

    in

     al loy

     

    composition,

     t 

    has 

    been

     

    found that

     

    considerable improvement in 

    hot

     

    corrosion

     resistance is possible, 

    usually at a small sacrifice

     

    in high-temperature

     

    strength.  However ,

     

    s ncreased

     

    demands are made

     

    upon

     

    th e

     

    mechanical capabilities of

     

    nickel-base

     

    superalloys,

     

    this road to 

    corrosion

     resistance appears

     

    less 

    feasible.

     

    Coat ings  

    NiAl- type 

    coatings are

     

    now

     

    standard

     

    in

     

    military jet

     

    engines,

     

    where

     

    th e

     

    temperatures are 

    somewha t

     higher 

    than

     in commercial engines.

     

    Through

     coating,

     

    considerable

     

    improvement in

     

    both oxidation resistance and hot

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    20/83

    10  

    corrosion resistance is

     

    secured. 

    However ,

     

    ncreased

     demands for 

    higher

     

    metal 

    temperatures approaching

     

    1800

    o

    982

    0

    C)), or

     

    longer times between

     

    engine over-

     

    hauls,

     nd for improved coating 

    reliability 

    make current coatings

     

    less and less

     

    acceptable.

      Research activity

     

    in th e

     

    coating 

    field

     

    shou ld

     be 

    cont inued; hopeful ly  

    some

     

    research

     

    would

     be 

    aimed 

    at

     

    th e fundamental

     

    aspects nvolved, 

    uch

     as

     

    measurement

     

    of

     

    diffusion

     

    rates in moderately complex systems. 

    Rare Earth Addit ions  

    Fractional percentages of

     

    rare earth metals, uch as cerium  '

     

    lanthanum  

    , nd

     gadolinium 

    have

     been found

     to generally 

    improve hot

     

    corrosion

     

    resistance

     in 

    binary

     

    Ni-Cr

     

    alloys 

    and in 

    superalloys.

     

    Much 

    of this work 

    has been 

    carried out in 

    laboratory 

    tests, often of 

    th e

     

    simple 

    crucible

     

    type, but th e few

     

    available

     

    hot

     

    corrosion

     tests

     in

     hot-corrosion 

    rigs,

     

    imulating

     to

     

    some 

    degree 

    actual

     

    engine 

    tests, 

    ave shown

     

    marked

     

    improvement.

     

    One

     

    cannot

     expect 

    that 

    rare

     

    earth

     

    additions 

    cou ld

     

    add

     

    more

     

    than

     

    about

     

    1000

     

    hours

     

    of

     

    life

     

    to

     

    jet

     

    eng ine

     

    blades and vanes.

     

    The 

    principal 

    difficulty 

    with

     th e 

    use 

    of rare earth additions

     

    is

     

    that a low melting phase

     

    associated 

    with

     

    th e

     

    Ni

     

    M/Ni

     

    eutectic

     

    where

     M is a

     rare 

    earth) occurs to

     

    reduce

     

    high-temperature 

    strength

     properties.

      Recent 

    laboratory 

    work,

     

    owever , 

    hows

     

    hat

     

    greater

     improvements

     in

     

    corrosion

     resistance

     are

     

    offered 

    by

     

    rare

     

    earths

     when added in oxide 

    form.

     

    If

     

    verified,

     his fact 

    m ay

     

    mply  

    change

     in

     processing 

    techniques

     hrough

     

    which

     

    rare 

    earths would 

    be

     

    present

     

    in  

    th e

     

    al loy

     

    as

     

    a

     

    well-dispersed

     

    oxide

     phase.

     

    Mos t

     important,

     

    heoretical

     

    rationali-

     

    zation

     and

     understanding

     

    of 

    th e

     effect

     

    of

     

    rare

     

    earth 

    additions

     hou ld

     

    be a t temp  ced.

     

    Fue l

     Addit ives

     

    Thisis

     

    discussed 

    in

     

    th e section

     

    under 

    th e 

    heading

     of

     Environ- 

    mental Effects.

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    21/83

    11

     

    B.

      High-Temperature 

    Oxidation

     

    Imp roved 

    oxidation

     resistance for

     

    strong superalloys

     

    is

     

    desirable

     in 

    blade applications.  Higher

     

    turbine inlet

     

    temperatures

     

    could be accommodated, 

    and

     th e

     

    requirement for coating 

    constricted

     

    air-cooling

     passages could be

     

    avoided. 

    The problem

     

    s

     

    complicated 

    because 

    ew

     

    strong

     alloys,

     

    uch s 

    B1900,

     

    ave  

    excellent

     oxidation

     resistance 

    but suffer

     

    hot

     

    corrosion

     

    attack.

      Therefore, sep-

     

    aration 

    of

     th e

     two 

    mode s of attack

     is

     not 

    realistic.

     

    In

     th e 

    past,

     l loy

     

    oxidation  

    has been a 

    research

     area with an emphasis on

     

    short-range

     

    improvement of

     

    exist-

     

    in g 

    alloy

     compositions,

     

    with th e best theory and experiments in

     

    alloy

     

    oxidation  

    coming

     

    from

     other countries,

     

    namely Germany, 

    ngland,

     

    nd

     France. 

    Sugges t ed

     

    al loy 

    oxidation

     research, with 

    only

     short 

    bridges

     

    to

     th e improvement of commer- 

    cial

     superalloys, ncludes: 

    a)

     

    th e

     

    use

     

    of

     

    radiotracers

     

    and

     

    h igh

     resolution

     techniques

     

    to

     

    establish 

    th e 

    role 

    of

     rare

     

    earth and

     

    other 

    additions 

    ike

     

    Si

     

    and

     

    Mn

     

    on binary

     

    and

     

    ternary

     

    alloy

     

    oxidat ion; 

    b)

     a

     

    study

     

    of th e role

     

    of carbon

     

    in dissolved

     

    and combined  

    form

     in

     al loy

     

    oxidation;  

    c) th e role

     

    of th e common ly used

     

    strengthening components, 

    W

     

    and Mo,

     

    alloy

     

    oxidation particularly 

    for

     Co-base

     

    alloys; 

    d)

     

    further attempts to study 

    th e

     complex morpho logy

     

    and  

    transport 

    in

     th e metal/scale 

    interface

     when combined 

    internal

     

    oxidat ion 

    and

     external scale formation are

     

    occurring; 

    e) further

     

    tudy 

    of

     

    th e modes 

    of

     failure 

    of

     external Cr O

     

    and

     A l O 

    scales

     and th e healing

    processes;

     

    f)

     

    specific 

    studies 

    relating

     

    th e

     

    evaporation rate

     

    of Cr

     

    O  to  

    th e

     

    vapor pressures of th e several

     

    vapor

     

    species 

    for

     th e

     

    oxide; 

    g)

     further 

    studies

     of

     the phases formed and

     

    th e kinetics 

    of

     

    internal 

    oxidation

     

    of

     

    alloys;

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    22/83

    12  

    h)

     studies 

    of 

    th e

     

    high-temperature

     

    mechanical

     properties

     

    of oxides 

    i.

     e.,

     

    creep)

     and

     

    th e

     

    relation

     

    of

     

    these

     properties to

     

    scale

     

    fracture; 

    i) preferential grain

     

    boundaiy

     attack

     in pure

     

    metals

     

    nd

     

    alloys 

    and

     its

     

    prevention; 

    j)

     

    many

     of 

    th e

     

    more

     fundamenta l aspects of 

    al loy

     oxidat ion:

     

    nucleation of oxides

     

    on 

    clean

     

    al loy 

    surfaces,

     

    oping effect,

     

    olu-

     

    bilities and diffusivlties of 

    oxygen

     

    in

     nickel and cobalt, olubilities

     

    and 

    diffusivlties

     of

     aliovalent

     

    impurities

     in 

    simple 

    oxides, 

    particu- 

    larly

     

    CoO,

     

    NiO, Cr

     

    O  and A l O.

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    23/83

    13 

    REFERENCES

     

    1.

     Hot Corrosion Problems Associated with

     

    Gas Turbines,  ASTM

     

    Specia l

     

    Publication 

    No.

     

    421

     

    1967). 

    2. DeCrescente, . A .

     nd

     

    Bornstein,

     

    .

     S., Corrosion

    ,

     4,

     

    1968), 27 . 

    3.

     ancock, 

    P., Corrosion

     

    of Al loys

     at High 

    Temperatures

     in Atmospheres

     

    Consisting

     of

     Fuel Combus t ion Products and

     Associated

     Impurities, Her

     

    Majesty's 

    Stationery

     

    Office, ondon, 1968). 

    4.

     

    Quets,

     J. M . nd

     

    Dresher,

     

    W.

     H., 

    ournal 

    of

     

    Materials ASTM)

    ,

     4,

     

    (1969), 83. 

    5.

     

    e r gman , aul

     an d

     

    Kaufman, Murray, 

    hompson

     Engineering 

    Laboratory, 

    General

     

    Electric

     

    River

     

    Works,

     

    W.

     

    ynn ,

     

    Massachusetts

     

    personal

     

    com-

     

    municat ion) .

     

    6.

     

    Bornstein,

     . 

    S.,

     nited

     

    Aircraft Research Laboratories, . Hartford, 

    Connec t i cu t (personal 

    communicat ion) .

     

    7. 

    DeCrescente,

     

    .

     A .

     

    nd

     Bornstein,

     N. S., nited Aircraft Research 

    Laboratories,

     . Hartford, onnect icut To

     

    be 

    published).

     

    8. imons , . L., 

    rowning,

     . V., nd Liebhafsky, . A., Corrosion, , 

    (1955),

     

    05. 

    9. 

    Bornstein,

     . . nd DeCrescente, M. A., Trans. Met . oc. AIME, 45, 

    (1969), 947. 

    10. 

    eybol t , 

    A . U., Trans. Met . oc. AIME, 42, 1968), 955. 

    11 . Wasielewski, . . Materials and

     

    Processes 

    Laboratory,

     General

     

    Electric Company, 

    chenec tady,

     N.Y., Report no. 68AEG430.

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    24/83

    14  

    HI.

     

    MATERIAL 

    AND

     COATING 

    DEVELOPMENT

     

    Introduction 

    Although

     there are

     

    many

     

    types

     

    of hot 

    corrosion

     which

     are 

    potentially 

    of interest

     to industrial

     gas 

    turbine

     

    producers,

     h is

     portion of th e report

     will  

    only consider those means 

    that

     might lead to th e development of improved sulfi- 

    dation and 

    oxidation-resistant

     alloys for turbines

     

    operating

     

    on diesel quality or 

    better

     fuels. 

    This

     

    section will

     

    discuss

     

    th e

     current

     status of 

    corrosion-resistant

     

    cobalt-, nickel-, nd iron-base

     

    al loy

     

    developments, 

    ttempt

     

    to

     

    predict

     

    what

     

    realistic

     improvements can

     

    be expected in th e near 

    and

     distant future, 

    nd

     sug- 

    gest areas

     

    for potentially fruitful deve lopmen t

     

    activity, 

    A Committee on Coat ings of th e NMAB has

     

    made recommendations 

    regarding

     coatings 

    for

     superalloys.  We are

     

    in agreement 

    with

     

    these recommen-

     

    dations.  The pertinent recommendations

     

    of th e

     

    Coat ings

     

    Committee are

     

    con- 

    tained

     in 

    Appendix 

    I.

     

    For

     

    this reason,

     

    coatings

     

    have

     not

     been

     

    g iven

     

    detailed

     

    consideration 

    in 

    this

     

    report

     

    except

     

    as

     

    required 

    to

     place

     he 

    need for

     

    coat ing  

    deve lopment in 

    perspective

     

    with

     the 

    need

     

    for al loy

     development. 

    Current

     

    Status

     

    In 

    th e 

    early

     

    1960's, t was

     

    apparent that th e

     

    then-existing advanced 

    alloys did no t 

    possess 

    dequate

     

    suifidation resistance

     to

     permit long-time opera- 

    t ion in

     environments conducive

     to

     this type of

     

    attack. 

    Hence , 

    he

     

    gas urbine 

    industry

     

    devoted 

    considerable

     attention

     to

     coat ing

     

    deve lopment .

      Alumin ide coat-

     

    ings

     

    were

     

    found

     to

     provide

     good corrosion 

    protection.

     

    However , s overhaul

     

    lives

     

    were

     

    extended,

     he existing coatings broke down after

     

    several thousand 

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    25/83

    15

     

    hours 

    and

     

    did

     not provide adequate protection.  This was 

    especially

     true of those 

    alloys

     developed for maximum

     

    strength capability,

     hich

     

    required

     

    compositions

     

    of lower 

    chromium

     content. 

    It soon 

    became

     apparent 

    that

     more inherent 

    sulfidation

     

    resistance

     

    was

     

    required

     

    of

     turbine

     blade

     and

     

    nozzle 

    guide

     vane alloys. 

    The

     Naval Ships Systems 

    Command

     

    established

     

    a

     

    program

     

    in

     

    1964

     

    with

     

    th e

     

    fol lowing

     

    objectives:

     

    1) 

    evelop a turbine 

    blade

     alloy combin ing th e ho t corrosion 

    resistance

     

    of

     Udimet 

    500

     in

     1 %

     

    sulfur diesel 

    fuel

     combustion 

    products

     

    with the 

    strength

     and

     

    ductility of alloy 

    713C

     at

     

    1600

    o

    100 

    hr rupture 

    life 

    at43,000psi). 

    2)

     evelop a cobalt-base turbine nozzle alloy with th e 1900

    C

    strength of WI-52 100 hr 

    rupture

     life at 10, 

    000

     psi) 

    but

     with improved 

    hot-corrosion

     resistance. 

    These targets were accepted 

    by

     th e metals industry, because, f met, 

    th e

     alloy

     would 

    offer

     

    useful

     properties

     for all types 

    of turbines.  Soon

     

    several 

    alloys appeared, 

    uch

     as MAR-M-421 Mart in Metals), d ime t 710 

    Specia l

     

    Metals), N-738 The Ihtemational Nickel Company) , 

    nd

     more 

    recently,

     

    AK-

     

    M-432 (Martin Metals). * These 

    met

     or came close to meeting th e 

    above

     targets 

    for blades. 

    They 

    are currently being

     

    evaluated by

     

    he 

    gas 

    turbine

     industry and

     

    one, MAR-M-421, 

    s being 

    used in

     

    production.

     

    Several 

    cobalt-base

     alloys 

    de- 

    veloped

     in th e Navy-General Electric program meet 

    the

     targets for a cobalt-base 

    nozzle material. 

    Extensive preliminary

     

    studies

     

    conducted by

     

    several

     

    investigators

     

    on  

    simple

     

    all

     » y systems 

    suggested

     that 

    chromium,

     

    nd,

     

    o

     a lesser 

    extent,

     

    itanium

     

    and

     

    cobalt

     were

     th e only

     

    elements 

    that 

    contributed

     

    in

     

    a

     

    beneficial

     way to 

    sulfidation

     

    Compos i t ions of all 

    alloys 

    mentioned 

    in

     this 

    report

     are 

    contained

     in 

    Table 

    1.  

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    26/83

    16 

    W  

    ffl 

    <

     

    S

     

     

    tr -

     

    io

     

    IM 

    Iß 

    in 

    o i

     

    ^ 3  

    Ü

    OI

    I

     

    in

     

    o

     

    o  o 

    Tf  

    00

     

    00  C O 

    t>

      in

     

    CD

     

    t

    o

      o 

    o

     

    o

     

    J

    b

    o

     

    r—i

     

    00

     

    e d

     

    H

     

    in

     

    t> 

    00 

    h

     

    o

     

    oi

     

    00

     

    T— t

     

    00 

    C O

     

    00 

    eg

     

    o

     

    C «

    in 

    C O

     

    T  ̂

    05

     

    O

     

    N

     

    Oi 

    CO

     

    Oi

     

    C O  

    w   w

     

    .   .

      .

     

    |̂  „• 

    -•

     

     

    in

     

    N

    Oi 

    5

     

    00 

    CO  

    Oi 

    CO  

    M  

    CD

     

    CO  

    00

     

    d

     

    in

     

    0i 

    CD

     

    O

      OJ 

    Oi Oi 

    o

    in 

    u

     

    in

     

    CO

     

    tN

     

    t^  

    O J

     

    t>

     

    s  

    ^

     

    2

     

    * —

     

    in

     

    T;

     

    o

      eg 

    o

    O -1 H H -1 

    u

     

    N

     

    C  

    a

    o

     

    .2 

    e

     

    o

     

    ü

    to

     

    o

     

    o

     

    o

     

    o'

     

    (M  

    ai

     

    o

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    27/83

    17

     

    resistance of nickel-base alloys.  Some elements,

     

    uch as

     

    tantalum, 

    were

     bene- 

    ficial

     

    solely 

    with regard

    to

     oxidation resistance.

    Some , 

    such as

     

    molybdenum

     

    and  

    a lum inum,

     

    were

     considered 

    detrimental 

    to

     

    sulfidation

     

    resistance. Other alloying 

    elements 

    were

     

    generally considered

     

    neutral

     

    or

     ineffective.

      These 

    effects

     are 

    no t

     

    necessarily 

    true

     for

     

    more

     complex

     alloys.  Within

     the 

    last

     two

     

    years it 

    has

     

    been 

    found

     

    that

     

    a

     

    proper

     

    balance

     

    of

     

    elements,

     

    particularly

     the

     

    refractory

     

    metals,

     

    can

     

    substantially improve 

    sulfidation

     resistance

     

    even at relatively 

    low

     chromium 

    levels.  For

     example, preliminary

     

    tests ndicate 

    that

     

    a new 

    alloy, N-792

     

    (12.7

     Cr), 

    possesses

     

    nearly 

    the 

    corrosion resistance

     

    of

     Udimet 

    500

     (17.5 

    C r)

     bu t

     

    with 

    rough ly 50

    C

    F

     ncreased temperature capability based

     on

     

    rupture

     strength)

     

    over alloy 713  C.  It

     

    is

     

    still under 

    evaluation 

    and has yet 

    to be

     

    proven

     for

     turbine 

    applications.

      The rare 

    earths, as

     will be

     

    ment ioned 

    later, m ay 

    also 

    be useful.

     

    While th e alloys currently

     

    be ing

     developed

     

    offer 

    improved

     

    high- 

    temperature 

    capability, 

    hey do 

    not

     exhibit

     

    a

     

    corresponding improvement 

    in

     

    intermediate 

    temperature

     1000 - 1500

    o

    F)

     

    strength.

      Similarly, lloys developed  

    for

     improved

     

    sulfidation resistance

     

    of ten

     

    lack 

    good

     high-temperature

     

    oxidation  

    resistance,

     

    nd,

     

    ence ,

     ay 

    have

     

    to

     

    be

     coated.

      Clearly, herefore, 

    he 

    al loy  

    developer

     

    must give

     

    more

     

    consideration 

    to

     

    achieving

     

    an

     

    optimum balance of 

    properties. 

    Smal l evolutionary improvements can be expected

     

    to 

    occur

     in 

    nickel-

     

    and

     cobalt-base

     

    alloys,

     but

     

    th e 

    lack of clearly defined

     

    requirements

     

    and markets 

    for future needs

     

    tends

     

    o

     

    limit 

    th e support

     for development work by

     

    th e al loy  

    industry. 

    An

     

    industry-government

     

    effort

     

    is 

    needed

     to def ine requirements in  

    terms

     of strength,

     

    corrosion

     

    resistance, nd economics.  Present generalities 

    such

     

    as, 

    We need 

    an

     

    alloy that

     

    can

     

    be

     

    used

     

    uncoated

     

    in

     

    place 

    of

     

    th e

     coated

     

    alloy

    XXX

     

    which

     

    we are 

    now 

    using, s n insufficient

     

    base

     

    upon

     which

     to

     

    establish

     

    an

     

    objective

     al loy deve lopment program. 

    This 

    will 

    be

     particularly important in th e  

    deve lopment

     

    of

     

    fiber

     composites 

    or

     dispersion-hardened alloys.

     

    These 

    materials

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    28/83

    18 

    will

     

    not

     

    have th e same balance of 

    properties

     with

     

    which designers 

    are 

    familiar.

     

    What 

    will

     

    constitute

     a satisfactory 

    olut ion

     

    to

     th e

     hot-corrosion

     

    problem

     

    shou ld 

    be stated

     

    in terms 

    commensurate

     

    with 

    prudent

     

    economics.  This can 

    be

     done only

     

    when th e different 

    t ypes

     

    of 

    gas turbines are 

    considered

     individually , ecause an

     

    alloy 

    adequate 

    for

     

    one ype of service m ay be completely 

    inadequate

     for another. 

    Some specific requirements of aircraft

     

    turbine

     

    builders are contained in

     

    References

     

    3,

     

    4,

     

    nd

     

    5.

     

    Alternate Approaches 

    A s

     

    indicated, prior 

    efforts

     

    to 

    improve

     

    th e

     hot-corrosion xesistance 

    of

     

    turbine blade an d nozzle

     

    guide

     

    vane alloys

     

    have 

    been largely

     in th e area of

     alloy- 

    in g element modifications and/or coating application. 

    Alternate

     approaches o

     

    th e 

    deve lopment

     of turbine

     

    blade

     an d

     

    guide vane materials with better corrosion

     

    resistance/temperature capability 

    migh t 

    be possible if

     

    new strengthening 

    mechanisms

     

    were

     

    evolved, which

     

    would

     

    permit 

    th e

     

    use of

     

    base systems 

    and/or

     

    al loying elements

     with

     greater inherent

     

    hot-corrosion resistance. 

    number

     of

     

    approaches have

     been considered for use

     

    with 

    nickel-

     

    cobalt-,

     or iron-base

     

    turbine

     

    blades an d

     

    guide vanes.  For the

     

    purpose

     of 

    this

     

    report, n improvement was defined as 

    a

     system

     

    having : 

    c

     Sulfidation

     

    an d 

    oxidation 

    resistance

     Udimet

     

    500 

    0

     

    Temperature-strength

     capability

     

    for 

    blades

      >

     

    N-100

     

    0

     

    Temperature-strength

     capability

     for

     

    vane s

      s WI-52

     

    In

     

    order

     to 

    guide

     establishment

     of

     future deve lopmen t programs 

    o

     

    that

     efforts will 

    be 

    concentrated

     

    in

     

    th e most fruitful 

    areas, 

    n assessment

     

    was  

    made of

     

    th e capability and probability of each

     

    approach.  Capability

    was  

    considered

     

    as an 

    indication

     

    of th e theoretical

     

    possibilities that

     

    an 

    approach 

    offers for achieving

     Improvement,

     whereas Probability is 

    realistic

     but 

    empirical assessment

     of

     th e 

    chances 

    for realizing that

     

    capability.

     

    The  

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    29/83

    19  

    considerations

     were

     

    made

     in 

    keeping

     

    with

     

    current

     

    technology and

     

    a

     

    realistic

     

    extrapolation

     

    of

     

    that

     

    capability 

    into

     th e

     

    near

     

    future, .

     e.,

     975.

     

    Results 

    of 

    this 

    estimation are summarized

     

    in 

    Tables

     an d

     3

     

    nd

     are discussed

     in

     th e fo l lowing  

    paragraphs. 

    Dispersion Harden ing  

    Dispersion

     

    hardening

     

    is

     

    effective

     

    in strengthening

     

    alloys

     

    at

     

    high

     

    tem-

     

    perature > 1600

    o

    F)

     but

     

    contributes little to low temperature 

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    30/83

    20  

    eg

     

    W

     

    p q

     

    <

    O T

     

    «

     

    W

     

    o  

    K

     

    U

    «

    <

     

    ^

     

    O

     

    < ; 

    K

     

    OH  

    ro

     

    O

     

    H

     

    «

    K

     

    H

     

    O

     

    S

     

    ft 

    H

     

    K

     

    S

     

    w

     

    Z,

     

    Q

     

    £

     

    i-l

     

    o

     

    P 5  

    OH

     

    <

    s  

    §

     

    P M 

    S

     

     ̂

    O

     

    H

     

    HH

     

    G

     

    K

     

    HJ

     

    <

    «

    >

     

    <

    >H  

    W

     

    o

     

    £

     

    Q  

     ̂

    < P Q

     

    tH 

    W  

    H

     

    Ä

     

    t-4  HH  

    HJ 

    P Q

     

    P 5

     

    D

     

    H

     

    <

    ^

     

    Q  

    Ü

     

    W

     

    Ä

     

    H

     

    HH

     

    <

     

    a

     

    H

     

    0

    H

     

    C O

     

    W

     

    W

     

    P Q

     

    H

     

    C Q | 

    o

     

    in

     

    *->

    o

     

    u ;

     

    o

     

    d  

    r—t

     

    p

     

    1—

    Al 

    Al 

    (1 ) 

    ü 

    •pH

    C O  

    I— 

    •pH

     

    *p-t 

    c d 

    (0  

    a

     

    Ü  cd 

    P ;

     

    c

     

    J3 

    o

     

    •1-4 

    g

     

    ^

     

    o a

     

    2

     

    c

     

    5

     

    o

     

    cd  

    cr t 

    TS

     

    a «

     

    S  S 3 

    O Q  

    e d

     

  • 8/18/2019 Hot corrosion in GT

    31/83

    21 

    W

     

    p a

     

    <

    ft 

     

    o

     

    w

     

    ft

     

    o

     

    H

     

    . - 1  

    ft 

    4-i

    c rt

     

    -*-J

    0 9

     

    A

     

    f-t 

    rt 

    &

     

    ft