Oxidation of stainless steel powder

International audienceTo understand the corrosion behavior of a model 304L(p)-ZrO2(s) composite, a 304L stainless steel powder was studied under oxygen at high temperature. Oxidation tests were performed with thermogravimetry. The so-called jumps method, which involves a sudden change of the temperature, was also applied to propose a kinetic model. Two periods with different rate-determining steps could be distinguished for short (<12 h) and long time experiments (12-20 h). SEM observations of oxidized particles revealed an oxide layer structure similar to that of alloy plates of same composition: during the first ten hours period, the external scale surrounding stainless steel particles was found to be chromium oxide; for the second oxidation period, the outer oxide layer was enriched in iron. Considering the relatively short-term oxidation period, a kinetic model based on an outward growth of chromia from oxidation of Cr in solution in the spherical alloy particles was successfully compared to the experimental mass gain curve. The kp value deduced from this modeling was found to be in agreement with the literature data. The diffusion of interstitial chromium ions is the rate-determining step in agreement with the absence of influence of the oxygen partial pressure

Elaboration et étude de l'oxydation à haute température d'un cermet dense constitué de particules d'acier inoxydable 304L dispersées dans une matrice de zircone yttriée.

Les cermets, nommés M(p)-CMC(s), Ceramic Matrix Composite dispersed with Metallic Particles , sont prometteurs dans les applications à haute température. Un cermet modèle (304L-YSZ) constitué de 40 % vol. de particules d'acier inoxydable 304L dispersées dans une matrice de zircone partiellement stabilisée à l yttrium a été préparé par métallurgie des poudres. Les cermets sont homogènes et possèdent une densité voisine de 97 % par rapport à la densité théorique. Une étude cinétique basée sur l hypothèse de l étape limitante, a été réalisée afin de proposer un mécanisme et un modèle d oxydation du cermet. Dans un premier temps, l oxydation de la poudre d acier inoxydable a été étudiée sous oxygène à 800 C. Les expériences d'oxydation sous He (80 %)-O2 (20 %) ont été conduites par thermogravimétrie. Conformément à la littérature, la cinétique d oxydation de la poudre suit un régime de diffusion. Une couche d oxyde à base de chrome à croissance externe est observée.En revanche, la cinétique d oxydation du cermet modèle est différente de celle de la poudre de 304L. Un fort gain de masse est observé dès l introduction de l oxygène au début du palier isotherme. Pendant le palier isobare, la prise de masse est lente et n est pas régie par la diffusion. La caractérisation des cermets oxydés montre que des nodules riches en chrome apparaissent tout d abord à l intérieur du métal. Puis une couche d oxyde à base de chrome et de fer se forme par croissance externe. La matrice de zircone ne limite pas la diffusion de l oxygène vers le métal. Elle se fissure sous l action des contraintes mécaniques induites par le changement de volume des particules de 304L pendant l oxydation.Ceramic matrix composite dispersed with metallic particles, called M(p)-CMC(s), are being developed for optimizing several functions of industrial components in severe atmospheres at high temperature.The corrosion of a model M(p)-CMC(s), based on 304L stainless steel and yttrium doped zirconia (304L(p)-ZrO2(s); 40%/60% in volume) is studied and compared with the oxidation behaviour of the stainless steel powders. The oxidation behaviour of the model 304L(p)-ZrO2(s) composite produced by powder metallurgy, studied by means of the thermogravimetry under 20 % O2 in helium at 800 C, is presented. Oxidation curves show a fast increase in mass gain followed by slow one for the composite material. SEM observations and Auger spectroscopy measurements of the oxidized composite indicate an outward complex Cr and Fe rich oxide layer whereas Cr2O3 nodules are observed to nucleate and develop inward. For 304L stainless steel powder, the shape of the mass gain curve is parabolic, in agreement with a diffusion controlled oxidation. SEM observations of oxidised powder and in situ XRD measurements at 800 C under oxygen show an external growth of Cr2O3 oxide layer.The low resistance to oxidation of the composite (compared to the powder) in the initial period seems to be due to the properties of the zirconia/metallic particles interface obtained after the sintering process. Under reducing conditions, the initial Cr2O3 layer reacts with zirconia matrix. TEM observation of the as sintered interface between the metallic particles and the ceramic shows no chromia layer. Sudden changes in oxygen partial pressure during experiments reveal an accelerating effect of the oxygen pressure.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Zirconia matrix composite dispersed with stainless steel particles: Processing and oxidation behavior

International audienceMaterials with non uniform properties are being developed to optimize several functions of industrial components in severe atmospheres at high temperature. These composites called M(p)-CMC(s): "ceramic matrix composites dispersed with metal particles" are candidates for high-temperature structure materials as functionally graded materials (FGMs) such as intermediate components between electrolyte and interconnecting components in SOFC. Preparation of a model composite M(p)-CMC(s) is described. Powder metallurgy process is used to obtain a dense composite (98% of the theoretical density) based on yttrium stabilized zirconia for the ceramic part and on 304L stainless steel for the metallic part. The characteristics of this material as well as its behavior under oxidation at high temperature are reported

Processing and high temperature oxidation of dense Y2O3 partially stabilized ZrO2 matrix composite dispersed with 304L stainless steel particles.

Les cermets, nommés M(p)-CMC(s), « Ceramic Matrix Composite dispersed with Metallic Particles », sont prometteurs dans les applications à haute température. Un cermet modèle (304L-YSZ) constitué de 40 % vol. de particules d'acier inoxydable 304L dispersées dans une matrice de zircone partiellement stabilisée à l’yttrium a été préparé par métallurgie des poudres. Les cermets sont homogènes et possèdent une densité voisine de 97 % par rapport à la densité théorique. Une étude cinétique basée sur l’hypothèse de l’étape limitante, a été réalisée afin de proposer un mécanisme et un modèle d’oxydation du cermet. Dans un premier temps, l’oxydation de la poudre d’acier inoxydable a été étudiée sous oxygène à 800 °C. Les expériences d'oxydation sous He (80 %)-O2 (20 %) ont été conduites par thermogravimétrie. Conformément à la littérature, la cinétique d’oxydation de la poudre suit un régime de diffusion. Une couche d’oxyde à base de chrome à croissance externe est observée.En revanche, la cinétique d’oxydation du cermet modèle est différente de celle de la poudre de 304L. Un fort gain de masse est observé dès l’introduction de l’oxygène au début du palier isotherme. Pendant le palier isobare, la prise de masse est lente et n’est pas régie par la diffusion. La caractérisation des cermets oxydés montre que des nodules riches en chrome apparaissent tout d’abord à l’intérieur du métal. Puis une couche d’oxyde à base de chrome et de fer se forme par croissance externe. La matrice de zircone ne limite pas la diffusion de l’oxygène vers le métal. Elle se fissure sous l’action des contraintes mécaniques induites par le changement de volume des particules de 304L pendant l’oxydation.Ceramic matrix composite dispersed with metallic particles, called M(p)-CMC(s), are being developed for optimizing several functions of industrial components in severe atmospheres at high temperature.The corrosion of a model M(p)-CMC(s), based on 304L stainless steel and yttrium doped zirconia (304L(p)-ZrO2(s); 40%/60% in volume) is studied and compared with the oxidation behaviour of the stainless steel powders. The oxidation behaviour of the model 304L(p)-ZrO2(s) composite produced by powder metallurgy, studied by means of the thermogravimetry under 20 % O2 in helium at 800 °C, is presented. Oxidation curves show a fast increase in mass gain followed by slow one for the composite material. SEM observations and Auger spectroscopy measurements of the oxidized composite indicate an outward complex Cr and Fe rich oxide layer whereas Cr2O3 nodules are observed to nucleate and develop inward. For 304L stainless steel powder, the shape of the mass gain curve is parabolic, in agreement with a diffusion controlled oxidation. SEM observations of oxidised powder and in situ XRD measurements at 800 °C under oxygen show an external growth of Cr2O3 oxide layer.The low resistance to oxidation of the composite (compared to the powder) in the initial period seems to be due to the properties of the zirconia/metallic particles interface obtained after the sintering process. Under reducing conditions, the initial Cr2O3 layer reacts with zirconia matrix. TEM observation of the “as sintered” interface between the metallic particles and the ceramic shows no chromia layer. Sudden changes in oxygen partial pressure during experiments reveal an accelerating effect of the oxygen pressure

Elaboration et étude de l’oxydation à haute température d’un cermet dense constitué de particules d’acier inoxydable 304L dispersées dans une matrice de zircone yttriée.

Ceramic matrix composite dispersed with metallic particles, called M(p)-CMC(s), are being developed for optimizing several functions of industrial components in severe atmospheres at high temperature.The corrosion of a model M(p)-CMC(s), based on 304L stainless steel and yttrium doped zirconia (304L(p)-ZrO2(s); 40%/60% in volume) is studied and compared with the oxidation behaviour of the stainless steel powders. The oxidation behaviour of the model 304L(p)-ZrO2(s) composite produced by powder metallurgy, studied by means of the thermogravimetry under 20 % O2 in helium at 800 °C, is presented. Oxidation curves show a fast increase in mass gain followed by slow one for the composite material. SEM observations and Auger spectroscopy measurements of the oxidized composite indicate an outward complex Cr and Fe rich oxide layer whereas Cr2O3 nodules are observed to nucleate and develop inward. For 304L stainless steel powder, the shape of the mass gain curve is parabolic, in agreement with a diffusion controlled oxidation. SEM observations of oxidised powder and in situ XRD measurements at 800 °C under oxygen show an external growth of Cr2O3 oxide layer.The low resistance to oxidation of the composite (compared to the powder) in the initial period seems to be due to the properties of the zirconia/metallic particles interface obtained after the sintering process. Under reducing conditions, the initial Cr2O3 layer reacts with zirconia matrix. TEM observation of the “as sintered” interface between the metallic particles and the ceramic shows no chromia layer. Sudden changes in oxygen partial pressure during experiments reveal an accelerating effect of the oxygen pressure.Les cermets, nommés M(p)-CMC(s), « Ceramic Matrix Composite dispersed with Metallic Particles », sont prometteurs dans les applications à haute température. Un cermet modèle (304L-YSZ) constitué de 40 % vol. de particules d'acier inoxydable 304L dispersées dans une matrice de zircone partiellement stabilisée à l’yttrium a été préparé par métallurgie des poudres. Les cermets sont homogènes et possèdent une densité voisine de 97 % par rapport à la densité théorique. Une étude cinétique basée sur l’hypothèse de l’étape limitante, a été réalisée afin de proposer un mécanisme et un modèle d’oxydation du cermet. Dans un premier temps, l’oxydation de la poudre d’acier inoxydable a été étudiée sous oxygène à 800 °C. Les expériences d'oxydation sous He (80 %)-O2 (20 %) ont été conduites par thermogravimétrie. Conformément à la littérature, la cinétique d’oxydation de la poudre suit un régime de diffusion. Une couche d’oxyde à base de chrome à croissance externe est observée.En revanche, la cinétique d’oxydation du cermet modèle est différente de celle de la poudre de 304L. Un fort gain de masse est observé dès l’introduction de l’oxygène au début du palier isotherme. Pendant le palier isobare, la prise de masse est lente et n’est pas régie par la diffusion. La caractérisation des cermets oxydés montre que des nodules riches en chrome apparaissent tout d’abord à l’intérieur du métal. Puis une couche d’oxyde à base de chrome et de fer se forme par croissance externe. La matrice de zircone ne limite pas la diffusion de l’oxygène vers le métal. Elle se fissure sous l’action des contraintes mécaniques induites par le changement de volume des particules de 304L pendant l’oxydation

Oxidation at high temperature of zirconia matrix composite dispersed with stainless steel particles

International audienceMaterials with non uniform properties are being developed to optimize several functions of industrial components in severe atmospheres at high temperature. Composites called M(p)-CMC(s): "ceramic matrix composites dispersed with metal particles" are candidates for high-temperature structure materials as functionally graded materials (FGMs). Recent studies highlight the use of graded M(p)-CMC(s) materials as intermediate components between interconnectors and electrolyte in the oxide fuel cell SOFC [1, 2]. The model M(p)-CMC(s) described in this study is based on yttrium stabilized ZrO2 and 304L stainless steel materials. The oxidation behavior of the model 304L(p)-ZrO2(s) composite produced by powder metallurgy, studied by means of thermogravimetry (TGA) under 20 % O2 in helium at 800 °C, is presented. The composite oxidation behavior is not the usual stainless steel parabolic ones. A fast initial increase in mass gain followed by a slow one indicates that the yttrium doped zirconia matrix allows the diffusion of oxygen species as expected with its high ionic conductivity at 800°C. SEM, XRD analysis and Auger spectroscopy of the oxidized composite were used to characterize the oxide scale. The metallic particles are surrounded by an outward complex Cr and Fe rich oxide layer whereas Cr2O3 nodules nucleate and develop inward. The layer thickness appears to be irregular. Many cracks connected to the oxidized stainless steel particles can be observed in the zirconia matrixprobably due due to stresses induced by the volume expansion of the oxide layer. Sudden changes in oxygen partial pressure during experiments reveal an accelerating effect of the oxygen pressure, contrarily to the 304L oxidation. An oxidation mechanism is proposed based on these results and observations. [1] Li J Q, Zeng X R, Tang J N, Xiao P, Journal of the European Ceramic Society, 2003, p 23, 1847-1853. [2] Gillia O, Caillens B, Powder Technology 2011, 208, p 355-36

Oxidation kinetics and mechanism of a zirconia based composite dispersed with 304L particles

International audienceThe oxidation at 800 °C of 304L particles dispersed in a zirconia ceramic showed behaviour different from that usually observed for 304L. SEM observations revealed inward growth of Cr2O3 nodules and outward growth of an iron-rich (Fe, Cr) mixed oxide scale. The method of jumps indicated first that a rate-determining step was controlling the kinetics, then that oxidation was favoured by an increase of the oxygen partial pressure. Growth mechanisms of both types of oxides were proposed; the Fe–Cr mixed oxide growth accounted for the major part of the mass gain and was controlled by the diffusion of metal vacancies obeying a law

Suivi de l'oxydation à haute température de cermets par thermogravimétrie couplée à l'émission acoustique

National audienceLes cermets (CMC(s)-M(p) : ceramic matrix composite dispersed with metallic particles) constitués d'une phase céramique majoritaire et d'une phase métallique sont des candidats sérieux pour les applications hautes températures par exemple en tant pièce intermédiaire entre les interconnecteurs et l'électrolyte dans les piles à combustible. Nous nous intéressons plus particulièrement à l'oxydation d'un cermet modèle à base de zircone et d'acier inoxydable 304L, celui ci est majoritairement composé de fer, chrome et nickel. La zircone est dopée avec 5% massique d'yttrium (TOSOH TZ-3Y-E). Les cermets sont préparés sous forme de cylindres (diamètre 8mm, hauteur 8mm) par métallurgie des poudres et frittage naturel à 1350 °C sous une atmosphère réductrice de 10% d'hydrogène dans l'argon. Des disques minces sont découpés dans les cylindres pour les tests de corrosion. Nous avons développé une méthode innovante utilisant le couplage de la thermogravimétrie (TG) avec l'émission acoustique (EA) pour étudier la corrosion de cermets. Le suivi du gain de masse est assuré par TG en simultané avec l'étude des ondes acoustiques émises pendant l'oxydation. Le suivi de la cinétique de corrosion du cermet se fait à l'aide d'expériences isothermes sous oxygène à 800°C. Des tests cinétiques, pseudo-stationnarité, tests de décrochement en potentiel d'oxygène sont réalisés. Le couplage EA /TG permet de déceler des phénomènes de fissuration liée à l'oxydation des particules métalliques, en complément des observations par microscopie électronique des échantillons post mortem. Il est ainsi possible de différencier les fissures de corrosion et de refroidissement. La Figure 1 présente les résultats d'un essai d'oxydation d'un cermet sous un mélange d'hélium et de 20% d'oxygène sur une thermobalance symétrique Setaram TAG16. La similitude des courbes EA et TG montre que la fissuration est corrélée à l'oxydation du métal dans le cermet