Development of an Oxidation Resistance Surface Coating on Niobium Base Metal

Abstract

Nb (niobium) and Nb-based alloys are promising refractory materials for use at high temperatures. However, due to the weak resistance to high temperature oxidation, a dramatic modification in oxidation resistance is required to use Nb-based refractory materials. Alloying Nb with other elements improves its mechanical properties and oxidation resistance to some extent. An improvement in oxidation resistance by forming Al (aluminum) based coating with dense Al2O3 by utilizing different methods seems a prospective way for developing Nb-based refractory materials. In the current study, halide activated pack cementation (HAPC) and subsequent plasma electrolytic oxidation (PEO) were combined to form an oxidation-resistant coating on niobium base metal. Prospective Al2O3 phases in amorphous or various kind of crystalline forms at the top were formed by anodic oxidation of cementation layer and modified to oxidation resistant -Al2O3 by subsequent annealing at 1000oC for 2 hours in argon gas. Comparing weight changes after oxidation tests shows that formed protective oxide film has a noticeable positive effect on the protection of Nb metal at high temperatures. 

Keywords

• High temperature oxidation
• refractory metal
• niobium
• pack cementation
• plasma electrolytic oxidatio

Niyobyum Altlık Metali Üzerinde Oksidasyona Dayanıklı Bir Yüzey Kaplamasının Geliştirilmesi

Abstract

Nb (niyobyum) ve alaşımları yüksek sıcaklıklardaki kullanım için umut veren refrakter malzemelerdir. Ancak, niyobyumun yüksek sıcaklık oksidasyonuna karşı çok düşük direncinden dolayı, niyobyum bazlı refrakter malzemeleri kullanmak için oksidasyon direncinde önemli bir modifikasyona ihtiyaç duyulmaktadır. Diğer elementlerle alaşımlamak niyobyumun mekanik özelliklerini ve oksidasyon direncini bir dereceye kadar iyileştirmektedir. Farklı yöntemlerden yararlanarak, yoğun Al2O3’den oluşan Al-bazlı kaplama oluşturarak oksidasyon direncinde yapılacak bir iyileştirme niyobyum bazlı refrakter malzemelerin geliştirilmesinde olası bir yol olarak gözükmektedir. Bu çalışmada, niyobyum altlık metali üzerinde oksidasyona dayanıklı bir kaplama oluşturmak için halid aktivatörlü kutu sementasyonu ve ardından plazma elektrolitik oksidasyon yöntemi kombine edilmiştir. Sementasyon tabakasının anodik oksidasyonuyla oluşan amorf ve değişik kristal formlardaki Al2O3 fazları daha sonra argon gazı içerisinde 1000 oC’de 2 saat süren bir tavlama işlemiyle oksidasyona dayanıklı α-Al2O3’e modifiye edilmiştir. Oksidasyon testleri sonrasıda ağırlık değişimlerinin karşılaştırılması oluşturulan koruyucu kaplamanın Nb metalinin yüksek sıcaklıklardaki korunmasında farkedilebilir bir koruyucu etkiye sahip olduğunu göstermektedir. 

Keywords

• High temperature oxidation
• refractory metal
• niobium
• pack cementation

References

1. [1] N. B. Pilling and R. E. Bedworth, “The Oxidation of Metals at High Temperatures”, J. Inst. Met., 29, pp. 529-591, 1923.
2. [2] S. Majumdar, A. Arya, A., I. G. Sharma, A. K. Suri, and S. Banerjee, “Deposition of aluminide and silicide based protective coatings on niobium”, Applied Surface Science, 257 (2), pp. 635–640, 2010. [3] R. Bianco, M. A. Harper, and R. A. Rapp, “Codeposition elements by halide-. activated pack cementation”, JOM, 43 (11), pp. 20-25, 1991. [4] T. F. Kumon, R. O. Suzuki., and K. Ono, “Oxidation resistant coating for niobium by combining hot dipping in molten aluminum coating and anodic oxidation”, Journal of the Japan Institute of Metals, 59 (9), pp. 967–972, 1995. [5] K. Natesan, “Corrosion performance of iron aluminides in mixed-oxidant environments”, Materials Science and Engineering: A, 258 (1-2), pp. 126-134, 1998. [6] J. F. Stringer, R. I. Jaffee, and T. F. Kearns (Eds.), “High temperature of aerospace alloys, AGARD-CP-120”, London: Harford House, England, 1973. [7] M. Steinhorst and H. J. Grabke, “Oxidation of niobium aluminide NbAl3”, Materials Science and Engineering: A, 120-121 (1), pp. 55-59, 1989.