Oxidation of boiler steels - RWTH Aachen University
Oxidation of boiler steels - RWTH Aachen University
Oxidation of boiler steels - RWTH Aachen University
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7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
Vicente B. Trindade, Trindade,<br />
Ulrich Krupp and Hans J. Christ<br />
vicente@ifwt.mb.uni-siegen.de<br />
Modelling High-Temperature<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Corrosion Phenomena:<br />
Carburization,<br />
Carburization,<br />
Nitridation and<br />
<strong>Oxidation</strong><br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
MATLAB<br />
- Numerical diffusion calculation<br />
- Visualization<br />
MATLAB is a mathematical<br />
s<strong>of</strong>tware that provides an<br />
easy-to-use interface to<br />
compute and visualize<br />
various computations.<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
InCorr<br />
ChemApp<br />
- thermodynamic<br />
calculation<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
Carburization,<br />
Carburization,<br />
Nitridation and <strong>Oxidation</strong> as Example <strong>of</strong><br />
Internal Corrosion Processes<br />
• Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Experimental observations:<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- carburization <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and<br />
austenitic <strong>steels</strong><br />
- nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
- oxidation <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
• Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
• Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
• Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Carburization <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and austenitic <strong>steels</strong><br />
• Nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
• <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
• Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
• Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
• Highlights<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005 The theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
oxygen<br />
c<br />
s<br />
O<br />
c<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
internal oxidation<br />
zone :<br />
BOν<br />
cO<br />
c<br />
B<br />
alloy AB<br />
c<br />
0<br />
B<br />
alloying element B<br />
ξ = 2γ D0t<br />
Restrictive conditions:<br />
constant surface<br />
concentration<br />
high thermodynamic<br />
stability <strong>of</strong> the oxide<br />
only a type <strong>of</strong> oxide<br />
condition: the oxidation kinetics is controlled by the oxygen diffusion<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
The mathematical treatment gives:<br />
c<br />
s O<br />
νc<br />
0 B<br />
=<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
φ e<br />
e<br />
γ<br />
γ<br />
2<br />
2<br />
φ<br />
erf<br />
( γ)<br />
erfc(<br />
γ<br />
s O<br />
φ)<br />
with<br />
DB<br />
c<br />
For the case
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
log (c Me)<br />
Calculation using Solubility Product<br />
0<br />
cMe crit.<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
23 6 C Me<br />
ν X Me<br />
µ<br />
TiN, AlN, Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2<br />
7 3 C Me<br />
c X log (c X)<br />
The theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
⎛<br />
SP MeX =<br />
∂c<br />
∂t<br />
ν<br />
[ Me ] [ X<br />
2<br />
∂ c<br />
D 2<br />
∂x<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
=<br />
⎞⎞<br />
2<br />
cX ⎛ν<br />
⎞ SP ∂ c<br />
⎜<br />
X<br />
1 ⎟ = DX<br />
2<br />
t ⎜<br />
+ ⎜ ⎟ ⎜<br />
c<br />
⎟<br />
ν ⎟<br />
⎝ µ ⎠ X ∂x<br />
∂<br />
∂<br />
νMe + µ X = Me X<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎝<br />
ν<br />
⎠⎠<br />
solve numerically<br />
µ<br />
]<br />
µ
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
•Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Carburization <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and austenitic <strong>steels</strong><br />
•Nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
• <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
• Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
• Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
• Highlights<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005 Carburization <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys<br />
atmosphere<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
alloy<br />
10µm<br />
NiCr25<br />
950°C<br />
300h<br />
a c =0,9<br />
50µm<br />
Observations:<br />
Observations<br />
• 3 type <strong>of</strong> carbides<br />
(Cr3C2 , Cr7C3 , Cr23C6 )<br />
• high Cr concentration<br />
near the carbides<br />
(Christ et al. ; Ox. Metals)<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005 Comparison <strong>of</strong> calculation ⇔ experiment<br />
Model alloy NiCr25:<br />
mass change [mg/cm 2 ]<br />
(Christ et al. ; Ox. Metals)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Thermogravimetrie<br />
time [h]<br />
calculation<br />
using SP<br />
T=950°C<br />
aC =0,86<br />
specimen Probendicke: thickness:<br />
4,69 mm<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
(Trindade et al. ; Proc. DSL-Aveiro, 2005)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
30µm<br />
M 7C 3<br />
Carburization <strong>of</strong> austenitic <strong>steels</strong><br />
two type <strong>of</strong> carbides<br />
580µm<br />
M 7C 3 +M 23C 6<br />
1240µm<br />
M 23C 6<br />
(Christ et al. ; Ox. Metals)<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
10 µm
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
(Trindade et al. ; Proc. DSL-Aveiro, 2005)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
30µm<br />
M 7C 3<br />
Carburization <strong>of</strong> austenitic <strong>steels</strong><br />
two type <strong>of</strong> carbides<br />
580µm<br />
M 7C 3 +M 23C 6<br />
1240µm<br />
M 23C 6<br />
(Christ et al. ; Ox. Metals)<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
10 µm
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
• Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Carburzation <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and austenitic <strong>steels</strong><br />
•Nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
• <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
• Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
• Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
• Highlights<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Oxide scale<br />
NiO/TiO /Ni(Al,Cr) O<br />
2 2 4<br />
Cr 2O<br />
Al 2 O<br />
γ<br />
3<br />
3<br />
´-Phase<br />
Ni (Al,Ti,Ta)<br />
3<br />
500µm<br />
N2 N N<br />
metal diffusion<br />
Internal nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
Al 2 O3<br />
AlN<br />
TiN<br />
NiCrAlTi-alloy<br />
dissolution <strong>of</strong> the<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
γ<br />
200µm<br />
´-phase<br />
(Krupp et al. ; Ox. Metals, 1999)
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
CMSX-6<br />
CMSX-2<br />
SRR99<br />
CMSX-4<br />
Nimonic 105<br />
Nicr<strong>of</strong>er 7520 Ti<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Monocrystal Ni-base superalloys<br />
Cr Al Ti Co Ta Mo W<br />
9,6 4,7 4,6 4,8 1,8 2,8 0,1<br />
7,9<br />
5,6<br />
1,0<br />
8,5 5,6 2,2 5,2 2,8 0,06 9,5<br />
Polycrystalline Ni-base alloys<br />
Cr Al Ti Co Ta Mo W<br />
20,2<br />
4,6<br />
1,6<br />
2,7<br />
6,0<br />
--<br />
0,6<br />
--<br />
7,9<br />
6,0 5,6 1,0 5,2 2,8 0,6 6,0<br />
Internal nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
+ 0,01%C<br />
+ 3% Re<br />
0,1%Hf<br />
14,9 4,7 1,2 20 -- 5,0 --<br />
--<br />
Ni- base<br />
model alloys<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
--<br />
NiTi2<br />
NiTi6<br />
NiCr10<br />
NiCr20<br />
NiCr30<br />
binary<br />
NiCr5Ti2<br />
NiCr10Ti2<br />
NiCr20Ti2<br />
NiCr30Ti2<br />
NiCr20Ti6<br />
NiCr20Al2<br />
ternary<br />
NiCr10Al2Ti2<br />
NiCr20Al2Ti2<br />
NiCr20Al6Ti2<br />
quaternary
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
s N<br />
2 c DN<br />
0<br />
c<br />
142 43 Ti ν<br />
ξ<br />
=<br />
k<br />
N<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
NiCr20Ti2<br />
NiCr20Ti6<br />
(Krupp et al. ; Ox. Metals, 1999)<br />
t<br />
Internal nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
(50h, 1000°C,N -Atmosphäre)<br />
2<br />
(200h, 1000°C,N -Atmosphäre)<br />
2<br />
TiN<br />
20µm<br />
TiN<br />
20µm<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
cTi<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
100h, 1100°C, N anger.Atm.<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
TiN-Ausscheidungstiefe<br />
Use <strong>of</strong> the thermodynamic<br />
s<strong>of</strong>tware ChemSage / ChemApp<br />
100µm<br />
100µm<br />
100µm<br />
Cr concentration<br />
NiCr5Ti2<br />
NiCr10Ti2<br />
NiCr20Ti2<br />
influence <strong>of</strong> Cr<br />
concentration<br />
(Krupp et al. ; Ox. Metals, 1999)<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
s N<br />
2 c DN<br />
0<br />
c<br />
142 43 Ti ν<br />
ξ<br />
=<br />
k<br />
N<br />
t
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
soluble<br />
N-con. [at.%]<br />
for 0,5 atm<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
0,0040<br />
0,0035<br />
0,0030<br />
0,0025<br />
0,0020<br />
0,0015<br />
0,0010<br />
0,0005<br />
0,0000<br />
(Krupp et al. ; Ox. Metals, 1999)<br />
Internal nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
Calcualtion <strong>of</strong> nitrogen solubility<br />
temperature<br />
0 10 20 30<br />
Cr concentration [wt.%]<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
1000°C<br />
Cr-nitride precipitation<br />
900°C<br />
800°C<br />
Berechnung des Diffusionskoeffizienten:<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
NiCr20Al2Ti2<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
TiN<br />
20µm<br />
AlN<br />
Simulation <strong>of</strong> internal nitridation<br />
Simultaneous precipitation <strong>of</strong><br />
different nitrides<br />
Calculation?!<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
• Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Carburzation <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and austenitic <strong>steels</strong><br />
• Nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
•<strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
• Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
• Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
• Highlights<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005 <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
intergranular inner scale growth in low-Cr <strong>steels</strong><br />
X60, air, 550 o C, 72 h)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
gold marker<br />
Outer scale<br />
Inner scale<br />
Original metal<br />
surface<br />
Intergranular oxidation<br />
(Trindade et al. , Prakt. Metall., 2004)<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005 <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
k p [mg 2 cm -4 h -1 ]<br />
Influence <strong>of</strong> alloy grain size on the oxide scale growth<br />
0,48<br />
0,40<br />
0,32<br />
0,24<br />
0,16<br />
0,08<br />
0,00<br />
⎛ ∆m<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ A ⎠<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
2<br />
=<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110<br />
k<br />
p<br />
t<br />
alloy grain size [µm]<br />
0,55 Gew.% Cr<br />
1,43 Gew.% Cr<br />
2,25 Gew.% Cr<br />
thickness [µm]<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
outer scale<br />
inner scale<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
(Trindade et al. ; Mater. Corr., Part I, 2005)<br />
SEM<br />
1,43 Gew.%Cr<br />
alloy grain size [µm]<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005 <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
Computer Simulation <strong>of</strong> <strong>Oxidation</strong> Processes<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
outer<br />
scale (Fe3O 4)<br />
inner<br />
scale (Fe3O 4, FeCr2O 4)<br />
intercrystalline<br />
oxidation (Cr O )<br />
2 3<br />
(Krupp, Trindade et al. ; Diff. Defec. Forum, 2005)<br />
p(O )<br />
2<br />
p(O 2)<br />
Fe O<br />
p(O 2)<br />
Cr O<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
FeCr O<br />
2 4<br />
3 4<br />
2 3
7 th GTT-Workshop, May 2005 <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
Computer Simulation <strong>of</strong> <strong>Oxidation</strong> Processes<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
outer<br />
scale (Fe3O 4)<br />
inner<br />
scale (Fe3O 4, FeCr2O 4)<br />
intercrystalline<br />
oxidation (Cr O )<br />
2 3<br />
(Krupp, Trindade et al. ; Diff. Defec. Forum, 2005)<br />
p(O )<br />
2<br />
p(O 2)<br />
Fe O<br />
p(O 2)<br />
Cr O<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
FeCr O<br />
2 4<br />
3 4<br />
2 3<br />
5 µm
7 th GTT-Workshop, May 2005 <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
Computer Simulation <strong>of</strong> <strong>Oxidation</strong> Processes<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
outer<br />
scale (Fe3O 4)<br />
inner<br />
scale (Fe3O 4, FeCr2O 4)<br />
intercrystalline<br />
oxidation (Cr O )<br />
2 3<br />
(Krupp, Trindade et al. ; Diff. Defec. Forum, 2005)<br />
moving<br />
interface<br />
D x<br />
D eff<br />
D y<br />
p(O )<br />
2<br />
p(O 2)<br />
Fe O<br />
p(O 2)<br />
Cr O<br />
D GB<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
FeCr O<br />
2 4<br />
3 4<br />
2 3<br />
5 µm
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
• Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Carburzation <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and austenitic <strong>steels</strong><br />
• Nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
• <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
•Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
• Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
• Highlights<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005 Computer Modelling<br />
Physical Modelling<br />
ChemApp and<br />
data-bank<br />
Thermodynamics Diffusion<br />
Computer<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Description <strong>of</strong><br />
corrosion kinetics<br />
Components at high-temperatures<br />
Diffusion in different<br />
phases (corrosion product<br />
and substrate) differentiation<br />
<strong>of</strong> diffusion along alloy<br />
grain boundary and volume<br />
moving boundary<br />
conditions<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005 Computer Modelling<br />
∂c<br />
∂t<br />
=<br />
∂<br />
∂x<br />
Mathematical Treatment <strong>of</strong> the Diffusion Process<br />
Diffusion Equation<br />
∂c<br />
∂t<br />
⎛<br />
⎜⎝<br />
=<br />
∂c<br />
D<br />
∂x<br />
D<br />
analytical solution:<br />
only for some special cases;<br />
complex thermodynamic<br />
treatment implementation<br />
“impossible”<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
⎞<br />
⎟⎠<br />
∂<br />
2<br />
∂x<br />
D=f(T)<br />
c<br />
2<br />
∂c<br />
∂t<br />
=<br />
2<br />
∂ c<br />
D 2<br />
∂x<br />
numerical solutions:<br />
explicit method:<br />
c<br />
− 2c<br />
D∆t<br />
∆x<br />
D∆t<br />
∆x<br />
⎠<br />
j j j<br />
j+<br />
1 j<br />
i+<br />
1 i i−1<br />
j ⎛ ⎞ j<br />
j<br />
ci = ci<br />
+ D∆t<br />
⋅<br />
= ci<br />
1 1 ci<br />
c<br />
2<br />
2 + + ⎜ − + 2 ⎟<br />
2 i−1<br />
∆x<br />
+ c<br />
implicit method: Crank - Nicholson technique:<br />
c<br />
j+<br />
1<br />
i<br />
∆t<br />
− c<br />
j<br />
i<br />
=<br />
2-dim.<br />
∂c<br />
∂t<br />
j j j j+<br />
1 j<br />
D ⎛ ci−1<br />
− 2ci<br />
+ ci+<br />
1 ci−1<br />
− 2ci<br />
⋅⎜<br />
⎜<br />
+<br />
2<br />
2 ⎝ ∆x<br />
∆x<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
=<br />
D<br />
x<br />
∂<br />
⎝<br />
2<br />
∂x<br />
c<br />
2<br />
+<br />
D<br />
+ 1<br />
2<br />
y<br />
∂<br />
D∆t<br />
∆x<br />
+ c<br />
2<br />
∂y<br />
c<br />
2<br />
j+<br />
1<br />
i+<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠
time, j<br />
7 th GTT-Workshop, May 2005 Computer Modelling<br />
Computation<br />
Numerical treatment<br />
<strong>of</strong> the diffusion equation<br />
c i-1,j<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
c i-1,j+1<br />
c i,j+1<br />
c i,j<br />
position, i<br />
c i+1,j+1<br />
c i+1,j<br />
D∆t<br />
∆x<br />
⎛ D∆t<br />
⎞<br />
⎜⎝<br />
− ⎟⎠ ∆x<br />
j+<br />
1<br />
j<br />
j<br />
j<br />
ci = ci<br />
ci<br />
c<br />
2 + 1 + 1 + 2<br />
2 i−1<br />
C<br />
D∆t<br />
2<br />
∆x<br />
< 0.<br />
5<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
D∆t<br />
∆x<br />
easy computation – low computation time<br />
time and space steps are limited due to<br />
numerical instability<br />
j+<br />
1<br />
i<br />
= C<br />
j<br />
i<br />
+<br />
∆T<br />
2∆X<br />
2<br />
j+<br />
1 j ⎡(<br />
Ci+<br />
1 + Ci+<br />
1 ) − 2(<br />
Ci<br />
j+<br />
1 j<br />
⎢⎢<br />
⎣+<br />
( Ci−1<br />
+ Ci−1<br />
)<br />
j+<br />
1<br />
there is no numerical instability<br />
computation time is increase<br />
+ C<br />
j<br />
i<br />
) ⎤<br />
⎥⎥<br />
⎦
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
7 th GTT-Workshop, May 2005 Computer Modelling<br />
Two-Dimensional<br />
[ ]<br />
[ ]<br />
[ ]<br />
[ ]<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
)<br />
,<br />
,<br />
(<br />
t<br />
t<br />
y<br />
y<br />
x<br />
c<br />
t<br />
t<br />
y<br />
x<br />
c<br />
t<br />
t<br />
y<br />
y<br />
x<br />
c<br />
y<br />
x<br />
y<br />
y<br />
x<br />
D<br />
t<br />
y<br />
y<br />
x<br />
c<br />
t<br />
y<br />
x<br />
c<br />
t<br />
y<br />
y<br />
x<br />
c<br />
y<br />
x<br />
y<br />
y<br />
x<br />
D<br />
t<br />
t<br />
y<br />
x<br />
x<br />
c<br />
t<br />
t<br />
y<br />
x<br />
c<br />
t<br />
t<br />
y<br />
x<br />
x<br />
c<br />
y<br />
x<br />
x<br />
y<br />
x<br />
D<br />
t<br />
y<br />
x<br />
x<br />
c<br />
t<br />
y<br />
x<br />
c<br />
t<br />
y<br />
x<br />
x<br />
c<br />
y<br />
x<br />
x<br />
y<br />
x<br />
D<br />
t<br />
t<br />
y<br />
x<br />
c<br />
t<br />
t<br />
y<br />
x<br />
c<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
−<br />
+<br />
−<br />
⋅<br />
⋅<br />
+<br />
+<br />
+<br />
−<br />
−<br />
⋅<br />
⋅<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
−<br />
+<br />
−<br />
⋅<br />
⋅<br />
+<br />
+<br />
+<br />
−<br />
−<br />
⋅<br />
⋅<br />
=<br />
−<br />
+<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
y<br />
c<br />
D<br />
x<br />
c<br />
D<br />
t<br />
c<br />
y<br />
x<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
∂<br />
∂
7 th GTT-Workshop, May 2005 Computer Modelling<br />
Computer-Based Simulation<br />
(Trindade et al. ; Proc. DSL-Aveiro, 2005)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005 Computer Modelling<br />
Computer-Based Simulation<br />
(Trindade et al. ; Proc. DSL-Aveiro, 2005)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Parallel Computing<br />
Computer Modelling<br />
Use <strong>of</strong> the<br />
thermodynamic<br />
s<strong>of</strong>tware ChemApp<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Parallel Computing<br />
Computer Modelling<br />
Use <strong>of</strong> the<br />
thermodynamic<br />
s<strong>of</strong>tware ChemApp<br />
time<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
phases
7 th GTT-Workshop, May 2005 Computer Modelling<br />
Parallel Computation for the<br />
Thermodynamic Equilibrium Calculations<br />
Manager (Master):<br />
- start up the Parallel Virtual Machine - PVM<br />
- start up the slave tasks (thermodynamic workers)<br />
- send constant data to all slave processors<br />
- receive the result from each slave processor<br />
- compute and update<br />
Slaves (thermodynamic workers):<br />
- receive constant data from manager processor<br />
- perform the calculations<br />
- send the result to master<br />
(Krupp, Trindade et al. ; Mater. Corr. 2005)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
format;<br />
global masterTID;<br />
masterTID = InitMaster('/local/guests/ifwt/bin/Master');<br />
InitSlave(masterTID,200,'/local/guests/ifwt/bin/Slave');<br />
press = 1; % in bar<br />
temp = 823; % in Kelvin<br />
BCC<br />
phase<br />
PhasesPermitted = [6 2 7 17 18 12 16];<br />
% input vector (phases)<br />
assignInput = [6 3 6 2 6 1 2 2 2 1 12 1 16 1];<br />
% ouput vector<br />
o1 = [6 3;7 3]; % oxygen<br />
o2 = [6 2]; % iron<br />
o3 = [6 1]; % chormium<br />
o4 = [2 2;17 1;18 1]; % Magnetite<br />
o5 = [2 1]; % Spinell<br />
o6 = [12 1]; % chromium oxide<br />
o7 = [16 1]; % Hematite<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
number <strong>of</strong><br />
thermodynamic worker<br />
Cr soluble<br />
in Fe<br />
hematite<br />
depend on time<br />
and position<br />
ThermoScript – call <strong>of</strong> ChemApp<br />
inCell = {o1, o2, o3, o4, o5, o6, o7};<br />
[assignProResult,assignSum,assignOutput] = defOutput(inCell);<br />
showOutput('/local/guests/ifwt/CA_Data/OptiCor1.dat',assignProResult<br />
,assignSum,assignOutput);<br />
myConf(masterTID,'/local/guests/ifwt/CA_Data/OptiCor1.dat',press,te<br />
mp,PhasesPermitted,assignInput,assignProResult,assignSum,assignOut<br />
put);<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
• Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Carburzation <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and austenitic <strong>steels</strong><br />
• Nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
• <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
• Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
•Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
•Highlights<br />
- Carburization<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
time = 100h<br />
T = 1000 o C<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Simulation <strong>of</strong> carburization<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Thermodynamics + Kinetics (InCorr)<br />
grain boundary<br />
grain boundary<br />
Simulation <strong>of</strong> carburization<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
time = 10h<br />
T = 800 o C<br />
(Trindade et al. ; Proc. DSL-Aveiro, 2005)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Simulation <strong>of</strong> carburization<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
time = 10h<br />
T = 800 o C<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Simulation <strong>of</strong> carburization<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
• Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Carburzation <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and austenitic <strong>steels</strong><br />
• Nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
• <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
• Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
•Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
•Highlights<br />
- Carburization<br />
- Nitridation<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
N-concentratinon [At.%]<br />
(soluble in the matrx)<br />
0,003<br />
0,0025<br />
0,002<br />
0,0015<br />
0,001<br />
0,0005<br />
0<br />
TiN<br />
N<br />
0 100 200 300 400 500<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
NiCr20Ti2<br />
1000°C Ni-20Cr-2Ti<br />
200h 900°C<br />
Distance from surface [µm]<br />
Simulation <strong>of</strong> internal nitridation<br />
3<br />
2,5<br />
2<br />
1,5<br />
1<br />
0,5<br />
0<br />
thickness <strong>of</strong> nitridation [µm]<br />
Ti-/TiN-conc. [At.%]<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Simulation results<br />
Ni-20Cr-2Ti<br />
1000°C<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />
square <strong>of</strong> time [h 1/2 ]<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
NiCr20Al2Ti2<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
TiN<br />
20µm<br />
AlN<br />
c Ti,Al,TiN,AlN<br />
[at.%]<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
N<br />
Simulation <strong>of</strong> internal nitridation<br />
Simultaneous precipitation <strong>of</strong><br />
different nitrides<br />
(100h, 1000°C, N -Atmosphäre)<br />
2<br />
AlN<br />
TiN<br />
Al<br />
0 100 200 300 400 500<br />
distance from surface [µm]<br />
0,003<br />
0,0025<br />
0,002<br />
0,0015<br />
0,001<br />
0,0005<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Ti<br />
0<br />
c N<br />
[at.%]
7 th GTT-Workshop, May 2005 Simulation <strong>of</strong> internal nitridation<br />
Simultaneous oxidation and nitridation<br />
Cr2O3<br />
Al2O3 + TiO2<br />
+ TiN<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
(Trindade et al. ; Braz. J. Mech. Sci. 2005)<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
• Theory <strong>of</strong> internal oxidation<br />
• Carburzation <strong>of</strong> Ni-Cr-model alloys and austenitic <strong>steels</strong><br />
• Nitridation <strong>of</strong> Ni-base alloys<br />
• <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>boiler</strong> <strong>steels</strong><br />
• Computer modelling: - diffusion in MATLAB<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
- MATLAB vs. CHEMAPP<br />
- Parallel Computing<br />
•Application <strong>of</strong> the developed simulation tool<br />
•Highlights<br />
- Carburization<br />
- Nitridation<br />
- <strong>Oxidation</strong> <strong>of</strong> <strong>steels</strong><br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
Outline
7 th GTT-Workshop, May 2005 Simulation <strong>of</strong> oxidation <strong>of</strong> <strong>steels</strong><br />
Intergranular oxidation<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
D i,j =<br />
y,j<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung<br />
x,i<br />
Dx = Dy if (i,j) is not a gb and c Fe > 0<br />
D gb if (i,j) is a gb and c Fe > 0<br />
D oxide if in (i,j) c Fe = 0<br />
this must be checked 360 000 times at every (i,j)<br />
(Trindade et al. ; OPTICORR Guide Book 2005)
7 th GTT-Workshop, May 2005 Simulation <strong>of</strong> oxidation <strong>of</strong> <strong>steels</strong><br />
(Trindade et al. ; OPTICORR Guide Book 2005)<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Simulation <strong>of</strong> oxidation <strong>of</strong> <strong>steels</strong><br />
grain boundary<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005 Simulation <strong>of</strong> oxidation <strong>of</strong> <strong>steels</strong><br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005 Simulation <strong>of</strong> oxidation <strong>of</strong> <strong>steels</strong><br />
FeCr 2 O 4 -concentration [at.%]<br />
Cr-gradient<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
90<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5<br />
Cr-content in steel [wt.%]<br />
1.47wt.%Cr<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Fe 3 O 4<br />
FeCr 2 O 4<br />
102<br />
100<br />
98<br />
96<br />
94<br />
92<br />
Fe 3 O 4 -concentration [at.%]<br />
Cr in spinel-phase [mol fraction]<br />
Simulated Cr-gradient<br />
0,30<br />
0,25<br />
0,20<br />
0,15<br />
0,10<br />
0,05<br />
c Cr = 1,43 Gew.%<br />
c Cr = 2,25 Gew.%<br />
0 3 6 9 12 15<br />
y [µm]<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
thickness <strong>of</strong> inner scale [µm]<br />
(Trindade et al. ; OPTICORR Guide Book 2005)<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
experiment (d=10µm)<br />
simulation (d=10µm)<br />
simulation (d=30µm)<br />
simulation (d=100µm)<br />
Simulation <strong>of</strong> oxidation <strong>of</strong> <strong>steels</strong><br />
0<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80<br />
time [h]<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Finite-Element with FEMLAB<br />
Different grain form and distribution<br />
Better definition <strong>of</strong> grain boundary width<br />
Complex component geometry<br />
Outlook<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005 User-Interface <strong>of</strong> InCorr<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
User-Interface – Input Data<br />
User-Interface <strong>of</strong> InCorr<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
Conclusions<br />
• The internal corrosion can be described by the classical Wagner`s<br />
theory only under special (ideal) boundary conditions.<br />
• For description <strong>of</strong> the behaviour <strong>of</strong> complex system a numerical<br />
treatment is necessary.<br />
• The FD or FE method allows descritized time and position<br />
consideration.<br />
The high performance <strong>of</strong> the developed s<strong>of</strong>tware InCorr is sustained by a solid<br />
theoretical background.<br />
Adaptation <strong>of</strong> the s<strong>of</strong>tware for simulation <strong>of</strong> new systems can be easily implemented<br />
due to the well structured and documented programming.<br />
The developed s<strong>of</strong>tware InCorr is capable to account for: local<br />
thermodynamic equilibrium, solid state diffusion and alloy<br />
microstructure.<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung
7 th GTT-Workshop, May 2005<br />
Thank you for your attention!<br />
UNIVERSITÄT<br />
SIEGEN<br />
InCorr<br />
vicente@ifwt<br />
vicente ifwt.mb mb.uni uni-siegen siegen.de .de<br />
Institut für Werkst<strong>of</strong>ftechnik<br />
Lehrstuhl für Materialkunde und Werkst<strong>of</strong>fprüfung