A Study of the Effect of 5 at.% Sn on the Micro-Structure and Isothermal Oxidation at 800 and 1200 °C of Nb-24Ti-18Si Based Alloys with Al and/or Cr Additions.

Étude de l'effet de 5 % at. de Sn sur la microstructure et l'oxydation isotherme à 800 et 1 200 °C d'alliages à base de Nb-24Ti-18Si avec additions d'Al et/ou de Cr.

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2020
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Abstract
This paper presents the results of a systematic study of Nb-24Ti-18Si based alloys with 5 at.% Sn addition. Three alloys of nominal compositions (at.%), namely Nb-24Ti-18Si-5Cr-5Sn (ZX4), Nb-24Ti-18Si-5Al-5Sn (ZX6), and Nb-24Ti-18Si-5Al-5Cr-5Sn (ZX8), were studied to understand how the increased Sn concentration improved oxidation resistance. In all three alloys there was macrosegregation, which was most severe in ZX8 and the primary βNbSi transformed completely to αNbSi after heat treatment. The Nb was not stable in ZX6, the NbSn was stable in all three alloys, and the Nb and C14-NbCr Laves phase were stable in ZX4 and ZX8. The 5 at.% Sn addition suppressed pest oxidation at 800 °C but not scale spallation at 1200 °C. At both temperatures, a Sn-rich area with NbSn, NbSnSi, and NbSn compounds developed below the scale. This area was thicker and continuous after oxidation at 1200 °C and was contaminated by oxygen at both temperatures. The contamination of the Nb by oxygen was most severe in the bulk of all three alloys. Nb-rich, Ti-rich and Nb and Si-rich oxides formed in the scales. The adhesion of the latter on ZX6 at 1200 °C was better, compared with the alloys ZX4 and ZX8. At both temperatures, the improved oxidation was accompanied by a decrease and increase respectively of the alloy parameters VEC (Valence Electron Concentration) and δ, in agreement with the alloy design methodology NICE (Niobium Intermetallic Composite Elaboration). Comparison with similar alloys with 2 at.% Sn addition showed (a) that a higher Sn concentration is essential for the suppression of pest oxidation of Nb-24Ti-18Si based alloys with Cr and no Al additions, but not for alloys where Al and Cr are in synergy with Sn, (b) that the stability of NbSn in the alloy is "assured" with 5 at.% Sn addition, which improves oxidation with/out the presence of the Laves phase and (c) that the synergy of Sn with Al presents the "best" oxidation behaviour with improved scale adhesion at high temperature.
Cet article présente les résultats d'une étude systématique d'alliages à base de Nb-24Ti-18Si avec un ajout de 5 % at. de Sn. Trois alliages de compositions nominales (% at.), à savoir Nb-24Ti-18Si-5Cr-5Sn (ZX4), Nb-24Ti-18Si-5Al-5Sn (ZX6) et Nb-24Ti-18Si-5Al-5Cr-5Sn (ZX8), ont été étudiés afin de comprendre comment l'augmentation de la teneur en Sn améliorait la résistance à l'oxydation. Une macroségrégation a été observée dans les trois alliages, celle-ci étant la plus prononcée dans le ZX8, et la phase primaire βNbSi s'est entièrement transformée en αNbSi après traitement thermique. Le Nb n'était pas stable dans le ZX6, le NbSn était stable dans les trois alliages, et le Nb ainsi que la phase de Laves C14-NbCr étaient stables dans le ZX4 et le ZX8. L'ajout de 5 % at. de Sn a supprimé la peste d'oxydation à 800 °C, mais n'a pas empêché l'écaillage de la couche d'oxyde à 1200 °C. Aux deux températures, une zone riche en Sn contenant les composés NbSn, NbSnSi et NbSn s'est développée sous la couche d'oxyde. Cette zone était plus épaisse et continue après oxydation à 1200 °C et présentait une contamination par l'oxygène aux deux températures. La contamination du Nb par l'oxygène était la plus sévère au cœur des trois alliages. Des oxydes riches en Nb, riches en Ti ainsi que des oxydes riches en Nb et Si se sont formés au sein des couches d'oxydation. L'adhérence de ces dernières sur le ZX6 à 1200 °C était meilleure par comparaison avec les alliages ZX4 et ZX8. Aux deux températures, l'amélioration du comportement à l'oxydation s'est accompagnée d'une diminution et d'une augmentation respectives des paramètres d'alliage VEC (Valence Electron Concentration) et δ, en accord avec la méthodologie de conception d'alliages NICE (Niobium Intermetallic Composite Elaboration). La comparaison avec des alliages similaires présentant un ajout de 2 % at. de Sn a montré (a) qu'une concentration plus élevée en Sn est essentielle pour supprimer la peste d'oxydation des alliages à base de Nb-24Ti-18Si contenant du Cr sans ajouts d'Al, mais ne l'est pas pour les alliages où Al et Cr sont en synergie avec le Sn, (b) que la stabilité de NbSn dans l'alliage est « assurée » avec un ajout de 5 % at. de Sn, ce qui améliore la résistance à l'oxydation en présence ou en l'absence de la phase de Laves, et (c) que la synergie du Sn avec l'Al présente le « meilleur » comportement à l'oxydation avec une adhérence améliorée de la couche d'oxyde à haute température.
Reference Key
xu2020amaterials Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors Xu, Zhen;Utton, Claire;Tsakiropoulos, Panos;
Journal Materials (Basel, Switzerland)
Year 2020
DOI
E245
URL
Keywords
oxidation solidification c14-nbcr2 laves phase nb3sn nb5sn2si niobium silicide based alloys silicides solid solution tin effect

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