TY - THES

T1 - Entwicklung einer maßgeschneiderten Wärmebehandlungsroute für SLM gefertigte γ-TiAl-Hochtemperaturkomponenten

AU - Pürstl, Fabian

N1 - gesperrt bis 26-02-2026

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Ziele der Entwicklungsprogramme für Antriebs- und Verkehrstechnik sind eine fortlaufende Verbesserung der Leistung und Effizienz durch Erhöhung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmaschinen. Durch eine Erhöhung der Arbeitstemperatur und Verringerung der bewegten Massen kann dies erreicht werden. Die verwendeten Werkstoffe werden daher immer extremeren Bedingungen ausgesetzt, wodurch intermetallische γ-TiAl Legierungen aufgrund ihrer ausgezeichneten Hochtemperatureigenschaften an Bedeutung gewinnen. Zusätzlich zu den Werkstoffen ist auch die Herstellungsroute der Komponenten ein entscheidender Faktor. Neben den konventionellen Verfahren, wie z. B. Guss- und Schmiedetechnik, rückt die Additive Fertigung mit dem bereits etablierten selektiven Laserschmelzen (SLM) ins Rampenlicht. Mithilfe dieses Verfahrens ist es nicht nur möglich komplexe Bauteile endformnah, sondern auch ressourceneffizient, zu produzieren. Im Hinblick auf die Hochtemperaturanwendung in Flugzeugtriebwerken ist es essenziell, sowohl poren- als auch rissfreie Bauteile herzustellen. Mit Hilfe einer adaptierten Prozessanlage vom Typ EOS M290 der AM Metals GmbH, die mit einer beheizbaren Bodenplatte (bis zu 900 °C) sowie einer Pulverbettheizung (bis zu 1200 °C) und einer Gasreinigung für niedrige O2-Gehalte ausgestattet ist, war es für diese Arbeit möglich hochwertige und den Anforderungen entsprechende TNM- und TNM+-Proben herzustellen. Durch eine grundlegende metallographische Charakterisierung mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgendiffraktion und Härtemessungen der SLM gefertigten (as-built) Proben konnten Rückschlüsse auf die Gefügeentwicklung während des SLM-Prozesses gezogen werden. In weiterer Folge wurden zwei verschiedene Wärmebehandlungsrouten, die in einer NLβ-Mikrostruktur resultierten, an den TNM- und TNM+-Proben angewendet, um den prozessbedingten Einfluss auf das Endgefüge nach einer Wärmebehandlung genauer zu studieren. Neben einer unstetigen Kornvergröberung, die bei beiden Wärmebehandlungsrouten aufgetreten war, konnte zudem eine thermisch induzierte Porosität bei der TNM-Legierung festgestellt werden. Basierend auf einer Wärmebehandlungsstudie und einer fundierten Literaturrecherche konnte eine optimierte Wärmebehandlungsroute speziell für SLM-gefertigte TNM-Komponenten generiert werden. Um das Potential der drei unterschiedlichen Wärmebehandlungsrouten hinsichtlich der Kriechbeständigkeit zu eruieren, wurden Vergleiche mit Proben angestellt, die über die Guss- und Schmiederoute hergestellt wurden. Vor allem die mit der optimierten Wärmebehandlungsroute beaufschlagten TNM Kriechproben zeigten im Vergleich zur Literatur hervorragende Ergebnisse. Darüber hinaus erzielten auch die Proben mit den beiden NLβ-Mikrostrukturen der TNM und TNM+-Legierung ausgezeichnete Werte. Die SLM-Route als Prozess über der Spröd-Duktil-Übergangstemperatur stellt für TiAl-Legierungen damit eine vielversprechende Alternative zu den konventionellen Herstellungsmethoden dar.

AB - Ziele der Entwicklungsprogramme für Antriebs- und Verkehrstechnik sind eine fortlaufende Verbesserung der Leistung und Effizienz durch Erhöhung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmaschinen. Durch eine Erhöhung der Arbeitstemperatur und Verringerung der bewegten Massen kann dies erreicht werden. Die verwendeten Werkstoffe werden daher immer extremeren Bedingungen ausgesetzt, wodurch intermetallische γ-TiAl Legierungen aufgrund ihrer ausgezeichneten Hochtemperatureigenschaften an Bedeutung gewinnen. Zusätzlich zu den Werkstoffen ist auch die Herstellungsroute der Komponenten ein entscheidender Faktor. Neben den konventionellen Verfahren, wie z. B. Guss- und Schmiedetechnik, rückt die Additive Fertigung mit dem bereits etablierten selektiven Laserschmelzen (SLM) ins Rampenlicht. Mithilfe dieses Verfahrens ist es nicht nur möglich komplexe Bauteile endformnah, sondern auch ressourceneffizient, zu produzieren. Im Hinblick auf die Hochtemperaturanwendung in Flugzeugtriebwerken ist es essenziell, sowohl poren- als auch rissfreie Bauteile herzustellen. Mit Hilfe einer adaptierten Prozessanlage vom Typ EOS M290 der AM Metals GmbH, die mit einer beheizbaren Bodenplatte (bis zu 900 °C) sowie einer Pulverbettheizung (bis zu 1200 °C) und einer Gasreinigung für niedrige O2-Gehalte ausgestattet ist, war es für diese Arbeit möglich hochwertige und den Anforderungen entsprechende TNM- und TNM+-Proben herzustellen. Durch eine grundlegende metallographische Charakterisierung mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgendiffraktion und Härtemessungen der SLM gefertigten (as-built) Proben konnten Rückschlüsse auf die Gefügeentwicklung während des SLM-Prozesses gezogen werden. In weiterer Folge wurden zwei verschiedene Wärmebehandlungsrouten, die in einer NLβ-Mikrostruktur resultierten, an den TNM- und TNM+-Proben angewendet, um den prozessbedingten Einfluss auf das Endgefüge nach einer Wärmebehandlung genauer zu studieren. Neben einer unstetigen Kornvergröberung, die bei beiden Wärmebehandlungsrouten aufgetreten war, konnte zudem eine thermisch induzierte Porosität bei der TNM-Legierung festgestellt werden. Basierend auf einer Wärmebehandlungsstudie und einer fundierten Literaturrecherche konnte eine optimierte Wärmebehandlungsroute speziell für SLM-gefertigte TNM-Komponenten generiert werden. Um das Potential der drei unterschiedlichen Wärmebehandlungsrouten hinsichtlich der Kriechbeständigkeit zu eruieren, wurden Vergleiche mit Proben angestellt, die über die Guss- und Schmiederoute hergestellt wurden. Vor allem die mit der optimierten Wärmebehandlungsroute beaufschlagten TNM Kriechproben zeigten im Vergleich zur Literatur hervorragende Ergebnisse. Darüber hinaus erzielten auch die Proben mit den beiden NLβ-Mikrostrukturen der TNM und TNM+-Legierung ausgezeichnete Werte. Die SLM-Route als Prozess über der Spröd-Duktil-Übergangstemperatur stellt für TiAl-Legierungen damit eine vielversprechende Alternative zu den konventionellen Herstellungsmethoden dar.

KW - TNM

KW - TNM+

KW - selektives Laserschmelzen

KW - Kriecheigenschaften

KW - TNM

KW - TNM+

KW - selective lasermelting

KW - creep properties

M3 - Masterarbeit

ER -