고온 Ar-SO₂(0.2% SO₂) 분위기에서 Ni₃Al 금속간 화합물의 산화-황화 부식 거동과 합금원소 (Ti, Cr) 첨가 효과

Oxidation - Sulfidation Behavior of Ni₃Al and the Alloying Effects of Ti and Cr in 0.2% SO₂/Ar Atmospheres

본 연구는 Ni-Aluminide계 금속간 화합물(Ni-Al(L1 2 ))의 고온 Ar–SO 2 분위기에서의 산화‑황화 거동을 체계 적으로 규명하였다. Ar-SO 2 는 산소 분압(pO 2 )이 낮고 황 분압(pS 2 )이 상대적으로 높은 특수 환경을 제공하며, 이는 전형적 공기 산화와 달리 보호성 α-Al 2 O 3 의 안정성/연속성, 황화물(Al 2 S 3 , Ni₃S 2 등) 형성, 복합 부식생성물 (Al 2 O 3 +스피넬+황화물) 성장에 중요한 차이를 야기한다. 본 논문은 (i) 열역학 구동력(Ellingham Diagram 기반), (ii) 속도론(포물선/선형/혼합 거동), (iii) 반응성 원소(Ti, Cr) 효과, (iv) 열순환 시 부식생성물의 접착성, (v) SO 2 →SO 3 전환 및 기체 화학 평형이 부식 메커니즘에 미치는 영향를 포괄한다. 결과적으로 Ar–SO 2 에서 Al 활동도 저하 또는 유효 산소공급 제한 시 보호막 형성 한계와 황화 주도형 손상이 촉진됨을 확인하였다. 반면, 합금원소 첨가 및 pre-oxidation에 의한 α-Al 2 O 3 이 임계조건을 개선시켜 내식성을 크게 향상시킨다.

This study systematically investigates the high-temperature oxidation–sulfidation behavior of Ni₃Al(L1 2 ) intermetallics in an Ar-SO 2 atmosphere (0.2%SO 2 ). The Ar-SO 2 environment provides a unique condition of low oxygen partial pressure (pO 2 ) and relatively hig hsulfur partial pressure (pS 2 ), which results in markedly different corrosion behavior compared with conventional air oxidation. Under such conditions, the stability and continuity of the protective α-Al 2 O 3 scale can be compromised, and sulfidation products such as Al 2 S 3 and Ni 3 S₂may form. In addition, complex multilayer scalesconsisting of Al 2 O 3 ,spinelphases, and sulfides can develop. This study encompasses (i) thermodynamic driving forces derived from Ellingham-type analyses, (ii) kinetic behavior exhibiting parabolic, linear, or mixed growth laws, (iii) the effects of alloying elements such as Ti and Cr, (iv) oxide adhesion during thermal cycling, and (v) the influence of SO 2 →SO 3 conversion and gas-phase equilibria on corrosion mechanisms. Results demonstrate that reduced Al activity or limited oxygen supply in Ar-SO 2 promotes breakdown of the protective scale and accelerates sulfidation-dominated degradation. Conversely, alloying additions and pre-oxidation treatment enhance α -Al 2 O 3 formation and stability, raise the critical conditions fo rbreakaway, and significantly improve corrosion resistance.