Fundamental Approaches in Alloy and Microstructure Design for Intermetallic γ-TiAl Based Alloys

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Intermetallische γ-TiAl Legierungen stellen eine neue Hochtemperaturwerkstoffklasse dar, welche dem heute steigenden Bedarf hinsichtlich Motorenleichtbau in Luftfahrt- und Automobilindustrie gerecht werden. Charakteristische Materialeigenschaften sind ihre geringe Dichte, gute Aufrechterhaltung von Festigkeit und Steifigkeit bei hohen Temperaturen sowie hohe Kriech- und Oxidationsbeständigkeit. Die Kombination dieser Eigenschaften erlaubt den Einsatz dieser Materialien als Turbinenschaufel neuester Niederdruckturbinen sowie als Turboladerlaufrad in Automobilmotoren. Um die Einsatztemperatur des etablierten Legierungskonzepts TNM, mit der nomi-nellen Zusammensetzung Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B (at.%), weiter zu erhöhen, wurden in der vorliegenden Dissertation grundlegende Studien zu den Effekten der Legierungselemente C, Si und Mo durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden detaillierte Charakterisierungen bis in den Nanometer-Maßstab mit Hilfe von Atomsondentomographie, Transmissionelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenrückstreudiffraktion und Röntgendiffraktion ergänzt durch ab initio Berechnungen durchgeführt. Die Grundlagen der vorherrschenden Verformungsmechanismen wurden mittels Nanoindentation, Zugkriechversuchen und mechanischer Spektroskopie untersucht. Die durchgeführten Untersuchungen haben einen signifikanten Anstieg der mechanischen Eigenschaften durch das Legieren mit geringen Mengen an C, aufgrund der Härtung der Mikrostruktur durch Mischkristallverfestigung, gezeigt. Dabei wurde eine Korrelation der lokalen C-Konzentration mit den lokalen Härtewerten festgestellt. Das Legieren mit geringen Mengen an Mo führt zu einer Verringerung der Dekompositionskinetik der βo Phase. Dieser Effekt kann durch das ausgeprägte Partitionierungsver-halten von Mo erklärt werden. Die Zugabe von Si führt zur Ausscheidung von Siliziden, welche der Zersetzung der lamellaren Mikrostruktur entgegenwirken. Dabei wurde ein neuer Ausscheidungsmechanismus vorgefunden, der ausschließlich in β-erstarrenden Legierungen auftreten kann. Des Weiteren wurden die vorherrschenden Verformungsmechanismen von lamellaren Mikrostrukturen bei erhöhten Temperaturen analysiert. Die ergänzende Verwendung von Zugkriechversuchen, mechanischer Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie belegte die Dominanz von Versetzungsklettern entlang lamellarer Grenzflächen durch die Bildung von sogenannten Jog-Paaren. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen tragen erheblich zum tiefgehenden Verständnis von Legierungseffekten in neuesten γ-TiAl Legierungen bei. Diese ermittelten und dargestellten grundlegenden Erkenntnisse können zur Definition verbesserter Legierungszusammensetzungen und Mikrostrukturen angewandt werden.

Details

Titel in ÜbersetzungGrundlegende Ansätze zur Legierungs- und Mikrostrukturentwicklung für intermetallische γ-TiAl Legierungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2017