Exploring phase transformations and phase stabilities in titanium aluminide based alloys

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Intermetallischen ¿-TiAl-Legierungen stellen eine Klasse innovativer Materialien für Anwendungen in der Flugzeug- und Automobilindustrie dar. Besonders die geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit und ausgezeichnete Beständigkeit gegen Kriechen und Oxidation machen sie zu geeigneten Kandidaten für strukturelle Hochtemperatur-Komponenten in Verbrennungsmotoren. Die Erschließung neuer Anwendungsgebiete und eine kosteneffizientere Herstellung fordern eine Verbesserung der Eigenschaften und Verarbeitbarkeit. Besonders die Verwendung zusätzlicher Legierungselementen ist dabei vielversprechend, wobei deren Einfluss auf die Phasenumwandlungen und -gleichgewichte zu beachten ist. Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung der Phasenumwandlungen in verschiedenen ¿-TiAl-Legierungssystemen. Im Besonderen werden die Fragen, wie technisch wichtige Legierungselemente die Phasengleichgewichte im Ti¿Al-System beeinflussen und welche Phasenumwandlungen während der pulvermetallurgischen Herstellung auftreten, behandelt. Entsprechende Antworten werden durch Synergie geeigneter experimenteller Methoden generiert. In-situ Hochenergieröntgenbeugung gibt zeitaufgelöste Einblicke in die vorhandenen Phasen sowie deren Volumenfraktionen und Gitterparameter als Funktion der Temperatur und chemischen Zusammensetzung, während Umwandlungstemperaturen mit dynamischer Differenzkalorimetrie komplementär bestimmt werden. Mikrostrukturcharakterisierung durch Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie Elektronenrückstreubeugung ermöglicht die Korrelation zwischen Mikrostrukturmerkmalen und den Phasenumwandlungen. Die untersuchten Elemente Mo, Zr und Si zeichnen sich durch unterschiedliche Einflüsse auf das Umwandlungsverhalten von ¿-TiAl-Legierungen aus. Das ß-stabilisierende Mo verändert maßgeblich die Mikrostrukturentwicklung während der Erstarrung und nachfolgenden Wärmebehandlungen durch Phasenumwandlungen, die im binären Ti¿Al-System nicht auftreten. Sowohl Zr als auch Si vergrößern den Stabilitätsbereich der ¿-Phase auf Kosten der ¿- und ¿2-Phase und erniedrigen die Solidus-Temperatur. Während Zr bei hohen Temperaturen aber zu einer Einschnürung des ¿-Einphasengebiets durch Absenkung der ß-Transus-Temperatur führt, erhöht das ausscheidungsbildende Si alle Festkörper-Umwandlungstemperaturen. In Bezug auf die pulvermetallurgische Herstellung kann festgestellt werden, dass es durch ausreichende Temperatureinwirkung auf ein W-haltiges ¿-TiAl-basiertes Pulver zu einer Annäherung ans thermodynamische Gleichgewicht durch die Ordnung der im Pulver vorhandenen ¿- und ß-Phase sowie durch ¿-Phasenbildung kommt. Des Weiteren werden mittels in-situ Hochenergieröntgenbeugung und eines neuentwickelten Versuchsaufbaus die Phasenverläufe während der Pulververdichtung durch Spark Plasma Sintern untersucht. Zusätzlich zur Auflösung der Ungleichgewichtsphasenverteilung im Pulver treten mehrere Gleichgewichtsumwandlungen, die entscheidend für das Gefüge sind, auf. Das in dieser Arbeit generierte Wissen gibt sowohl einen grundlegenden als auch einen verarbeitungsorientierten Einblick in die Phasenumwandlungen und Phasengleichgewichte in ¿-TiAl-Legierungen. Künftige Legierungsentwicklungen und die Genauigkeit von thermodynamischen Berechnungen werden von den generierten Phasendiagrammen, Umwandlungstemperaturen und Phasenverläufen profitieren.

Details

Titel in ÜbersetzungUntersuchung von Phasenumwandlungen und Phasenstabilitäten in Titanaluminid-basierten Legierungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Clemens, Helmut, Betreuer (intern)
  • Thomas, Marc, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Couret, Alain, Mitbetreuer (extern), Externe Person
  • Eckert, Jürgen, Beurteiler B (intern)
StatusVeröffentlicht - 2022