TY - THES

T1 - Einfluss des Siliziumgehalts auf Konstitution und Gefüge von γ-TiAl Hochtemperaturlegierungen

AU - Wimler, David

N1 - gesperrt bis 25-09-2022

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Intermetallische Titanaluminide sind eine vielversprechende Materialklasse, die sich besonders für Hochtemperaturanwendungen eignen, da sie bei Anwendungstemperaturen hervorragende Kriecheigenschaften zeigen und zusätzlich oxidationsresistent sind. Diese Eigenschaften sowie die geringe Dichte gegenüber den Nickelbasislegierungen machen intermetallische Werkstoffe interessant für die Luftfahrt- und Automobilindustrie. Aktuell im Einsatz befindliche β-erstarrende TiAl Legierungen, die sogenannten TNM-Legierungen, erreichen eine maximale Einsatztemperatur von 750 °C. Neue Legierungskonzepte sollen diese Einsatztemperatur erhöhen, bei gleichbleibender mechanischer Belastung unter Adaptierung der Legierungszusammensetzung und Prozessparameter. Im Zuge dieser Masterarbeit wurden neue γ-TiAl Legierungsvarianten mit Zusätzen an Silizium untersucht. Als Ausgangsmaterial dienten schmelzmetallurgisch hergestellte Knöpfe, welche aufgrund der Wahl der chemischen Zusammensetzung peritektisch erstarren. Innerhalb der Versuchsreihe wurde der Siliziumgehalt in den Legierungen variiert. Am Ausgangsmaterial wurden DSC-Messungen und Wärmebehandlungsstudien durchgeführt. Als Ergebnis konnte der Legierungseinfluss auf die Umwandlungstemperaturen in einem quasibinären Phasendiagramm dargestellt werden. Dieses bildet die Basis für die Einstellung eines feinkörnigen voll-lamellaren Gefüges. Die dafür notwendige Wärmebehandlung wurde im α-Einphasengebiet durchgeführt, wobei die Silizide einer Kornvergröberung entgegenwirken. Dieser Effekt konnte auch mittels Laser-Konfokalmikroskopie bestätigt werden. Die Abkühlung aus dem α-Einphasenfeld wurde bei unterschiedlichen Kühlraten vollzogen, um die globulare und massive γ-Phasenbildung zu analysieren. Eine anschließende Auslagerungswärmebehandlung diente der Stabilisierung der lamellaren α2/γ-Gefüge. Darauffolgende Langzeitglühungen bei unterschiedlichen Temperaturen für 100 h gaben Aufschluss über die Gefügestabilität. REM Aufnahmen konnten dabei die auftretende zellulare Reaktion an vorhandenen massiven γ-Korngrenzen detektieren. Die erlangten Ergebnisse zeigen den Einfluss der Legierungselemente auf die auftretenden Phasenumwandlungen in γ-TiAl Basislegierungen. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Optimierung der chemischen Zusammensetzung und Wärmebehandlung, um die Einsatztemperatur zu erhöhen.

AB - Intermetallische Titanaluminide sind eine vielversprechende Materialklasse, die sich besonders für Hochtemperaturanwendungen eignen, da sie bei Anwendungstemperaturen hervorragende Kriecheigenschaften zeigen und zusätzlich oxidationsresistent sind. Diese Eigenschaften sowie die geringe Dichte gegenüber den Nickelbasislegierungen machen intermetallische Werkstoffe interessant für die Luftfahrt- und Automobilindustrie. Aktuell im Einsatz befindliche β-erstarrende TiAl Legierungen, die sogenannten TNM-Legierungen, erreichen eine maximale Einsatztemperatur von 750 °C. Neue Legierungskonzepte sollen diese Einsatztemperatur erhöhen, bei gleichbleibender mechanischer Belastung unter Adaptierung der Legierungszusammensetzung und Prozessparameter. Im Zuge dieser Masterarbeit wurden neue γ-TiAl Legierungsvarianten mit Zusätzen an Silizium untersucht. Als Ausgangsmaterial dienten schmelzmetallurgisch hergestellte Knöpfe, welche aufgrund der Wahl der chemischen Zusammensetzung peritektisch erstarren. Innerhalb der Versuchsreihe wurde der Siliziumgehalt in den Legierungen variiert. Am Ausgangsmaterial wurden DSC-Messungen und Wärmebehandlungsstudien durchgeführt. Als Ergebnis konnte der Legierungseinfluss auf die Umwandlungstemperaturen in einem quasibinären Phasendiagramm dargestellt werden. Dieses bildet die Basis für die Einstellung eines feinkörnigen voll-lamellaren Gefüges. Die dafür notwendige Wärmebehandlung wurde im α-Einphasengebiet durchgeführt, wobei die Silizide einer Kornvergröberung entgegenwirken. Dieser Effekt konnte auch mittels Laser-Konfokalmikroskopie bestätigt werden. Die Abkühlung aus dem α-Einphasenfeld wurde bei unterschiedlichen Kühlraten vollzogen, um die globulare und massive γ-Phasenbildung zu analysieren. Eine anschließende Auslagerungswärmebehandlung diente der Stabilisierung der lamellaren α2/γ-Gefüge. Darauffolgende Langzeitglühungen bei unterschiedlichen Temperaturen für 100 h gaben Aufschluss über die Gefügestabilität. REM Aufnahmen konnten dabei die auftretende zellulare Reaktion an vorhandenen massiven γ-Korngrenzen detektieren. Die erlangten Ergebnisse zeigen den Einfluss der Legierungselemente auf die auftretenden Phasenumwandlungen in γ-TiAl Basislegierungen. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Optimierung der chemischen Zusammensetzung und Wärmebehandlung, um die Einsatztemperatur zu erhöhen.

KW - silicon

KW - peritectic solidification

KW - γ-TiAl

KW - fully lamellar

KW - massive γ

KW - Silizium

KW - peritektische Erstarrung

KW - γ-TiAl

KW - voll-lamellar

KW - γ massiv

M3 - Masterarbeit

ER -