TY - THES

T1 - Hochtemperaturbeständigkeit und Schweißeignung einer intermetallischen TiAl-Legierung für die Anwendung als Turbinenrad im Abgasturbolader

AU - Samer, Lukas

N1 - gesperrt bis 25-06-2019

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - Aufgeladene Verbrennungsmotoren werden für Fahrzeuge auf dem Land, der Schiene, dem Wasser und der Luft sowie für Industrieanwendungen eingesetzt. Die Aufladung mittels Abgasturboladern hat seit einigen Jahren eine Schlüsselrolle zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren eingenommen, wobei deren Bedeutung in Zukunft zunehmen wird, solange Kraftstoffe als Energieträger für Antriebssysteme heiß verbrannt werden. Ein Abgasturbolader ermöglicht unter Ausnutzung der Abgasenergie eine Erhöhung der Ladeluftdichte, wodurch eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffs bewirkt wird. In weiterer Folge sinkt der Ausstoß von Schadstoffen, wodurch ein Beitrag zur Erfüllung von gesetzlich festgelegten Grenzwerten, z.B. in der Euro-6-Norm, geleistet wird. Des Weiteren wird durch die Technologie der Aufladung das Konzept des Downsizings ermöglicht, bei dem bei gleichbleibender Leistung die Baugröße des Motors reduziert wird (geringeres Hubvolumen) und durch die somit erhaltene Gewichtseinsparung eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs erzielt wird. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Turbinenrad des Abgasturboladers, das einer Abgastemperatur von bis zu 850°C im Dieselmotor sowie 1050°C im Ottomotor und Drehzahlen kleiner als 300.000 Umdrehungen pro Minute ausgesetzt ist. Der untersuchte Turbinenradwerkstoff ist eine intermetallische TiAl-Legierung, ein innovativer Leichtbauwerkstoff für die Anwendung im Hochtemperaturbereich, im Speziellen die Varianten TNM und TNM+, die im Zuge des Downsizing eine attraktive Alternative zu Nickelbasislegierungen darstellen. Aufgrund der geringen Dichte der TiAl-Legierungen wird darüber hinaus das Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs deutlich verbessert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Hochtemperaturbeständigkeit und Schweißeignung intermetallischer TiAl-Legierungen untersucht. Dazu wurde die Gefügestabilität, das Oxidationsverhalten und das Schädigungsverhalten von TNM+-Turbinenrädern untersucht, die unterschiedliche Testläufe am Heißgasprüfstand absolvierten. Um zusätzliche Erkenntnisse über die Gefügestabilität in Abhängigkeit von Glühtemperatur und Haltezeit zu erlangen, beziehungsweise zur Ermittlung der Anwendungsgrenzen, wurden Wärmebehandlungsstudien an TNM+-Proben durchgeführt und die Ergebnisse mit jenen der Heißgasprüfstandstests verglichen. Des Weiteren wurde eine am Turbinenrad aufgebrachte Oxidationsschutzschicht charakterisiert. Für die Anbindung der Welle an ein TNM-Turbinenrad wurden unterschiedliche Fügetechniken untersucht und die sich ausbildende Fügezone analysiert. Die Charakterisierung der Mikrostruktur, Fügezone und Oberfläche erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie. Mit Hilfe der quantitativen Metallografie und Härteprüfung nach Vickers wurden die Gefügeänderungen der wärmebehandelten Proben bestimmt.

AB - Aufgeladene Verbrennungsmotoren werden für Fahrzeuge auf dem Land, der Schiene, dem Wasser und der Luft sowie für Industrieanwendungen eingesetzt. Die Aufladung mittels Abgasturboladern hat seit einigen Jahren eine Schlüsselrolle zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren eingenommen, wobei deren Bedeutung in Zukunft zunehmen wird, solange Kraftstoffe als Energieträger für Antriebssysteme heiß verbrannt werden. Ein Abgasturbolader ermöglicht unter Ausnutzung der Abgasenergie eine Erhöhung der Ladeluftdichte, wodurch eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffs bewirkt wird. In weiterer Folge sinkt der Ausstoß von Schadstoffen, wodurch ein Beitrag zur Erfüllung von gesetzlich festgelegten Grenzwerten, z.B. in der Euro-6-Norm, geleistet wird. Des Weiteren wird durch die Technologie der Aufladung das Konzept des Downsizings ermöglicht, bei dem bei gleichbleibender Leistung die Baugröße des Motors reduziert wird (geringeres Hubvolumen) und durch die somit erhaltene Gewichtseinsparung eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs erzielt wird. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Turbinenrad des Abgasturboladers, das einer Abgastemperatur von bis zu 850°C im Dieselmotor sowie 1050°C im Ottomotor und Drehzahlen kleiner als 300.000 Umdrehungen pro Minute ausgesetzt ist. Der untersuchte Turbinenradwerkstoff ist eine intermetallische TiAl-Legierung, ein innovativer Leichtbauwerkstoff für die Anwendung im Hochtemperaturbereich, im Speziellen die Varianten TNM und TNM+, die im Zuge des Downsizing eine attraktive Alternative zu Nickelbasislegierungen darstellen. Aufgrund der geringen Dichte der TiAl-Legierungen wird darüber hinaus das Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs deutlich verbessert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Hochtemperaturbeständigkeit und Schweißeignung intermetallischer TiAl-Legierungen untersucht. Dazu wurde die Gefügestabilität, das Oxidationsverhalten und das Schädigungsverhalten von TNM+-Turbinenrädern untersucht, die unterschiedliche Testläufe am Heißgasprüfstand absolvierten. Um zusätzliche Erkenntnisse über die Gefügestabilität in Abhängigkeit von Glühtemperatur und Haltezeit zu erlangen, beziehungsweise zur Ermittlung der Anwendungsgrenzen, wurden Wärmebehandlungsstudien an TNM+-Proben durchgeführt und die Ergebnisse mit jenen der Heißgasprüfstandstests verglichen. Des Weiteren wurde eine am Turbinenrad aufgebrachte Oxidationsschutzschicht charakterisiert. Für die Anbindung der Welle an ein TNM-Turbinenrad wurden unterschiedliche Fügetechniken untersucht und die sich ausbildende Fügezone analysiert. Die Charakterisierung der Mikrostruktur, Fügezone und Oberfläche erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie. Mit Hilfe der quantitativen Metallografie und Härteprüfung nach Vickers wurden die Gefügeänderungen der wärmebehandelten Proben bestimmt.

KW - exhaust gas turbocharger

KW - titanium aluminides

KW - TNM

KW - TNM+

KW - microstructural stability

KW - oxidation

KW - welding

KW - Abgasturbolader

KW - Titanaluminide

KW - TNM

KW - TNM+

KW - Gefügestabilität

KW - Oxidation

KW - Schweißen

M3 - Diplomarbeit

ER -