TY - THES

T1 - Kriechverhalten einer TiAl-Legierung für Anwendungen in Abgasturboladern

AU - Kappacher, Johann

N1 - gesperrt bis 01-10-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Die Werkstoffklasse der intermetallischen Titanaluminidlegierungen ist aufgrund einer hohen spezifischen Dehngrenze und Steifigkeit, der guten Oxidationsbeständigkeit, dem Widerstand gegen „Titanfeuer“ sowie der Kriechbeständigkeit bis zu hohen Temperaturen ein aussichtsreicher Kandidat um die etwa doppelt so schweren Nickelbasislegierungen in Laufrädern oder Turbinenrädern von Abgasturboladern zu ersetzen. In dieser Arbeit wurde das Kriechverhalten einer geschmiedeten TNM-Legierung mit der nominellen Zusammensetzung Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B (at.%) und einer nahezu lamellaren Mikrostruktur im maximalen Last- und Temperaturbereich von Turbinenrädern in Dieselverbrennungsmotoren untersucht. Aus der Bestimmung von Spannungsexponent und Aktivierungsenergie konnte die minimale Kriechrate über einen weiten Temperatur- und Spannungsbereich beschrieben werden. Durch mikrostrukturelle Untersuchungen des Ausgangsmaterials im Raster- (REM) und Transmissionselektronenmikroskop (TEM) wurden die Auswirkungen verschiedener Gefügebestandteile, wie Anteil der βo-Phase oder Lamellenbreite, auf das Kriechverhalten diskutiert und mit vergleichenden Härtemessungen korreliert. Untersuchungen zur Gefügeentwicklung nach den Kriechversuchen zeigten im REM eine stabile Mikrostruktur bis hin zur minimalen Kriechrate. In TEM-Aufnahmen an ausgewählten Kriechproben konnten erstmals temperaturinduzierte Ausscheidungen der βo-Phase in den α2-Lamellen in einer TNM-Legierung nachgewiesen werden. Abschließende Untersuchungen der Mikrostruktur eines am Heißgasprüfstand getesteten Turbinenrades zeigten eine grundsätzliche Vergleichbarkeit mit dem Referenzmaterial, jedoch konnten leichte Abweichungen in der Phasenzusammensetzung festgestellt werden. Mit den Ergebnissen der durchgeführten Kriechversuche steht nun eine breite Datenbasis für eine auf die applikationsspezifischen Randbedingungen optimierte Auslegung von Turboladerlaufrädern in einer frühen Phase der Entwicklung zur Verfügung.

AB - Die Werkstoffklasse der intermetallischen Titanaluminidlegierungen ist aufgrund einer hohen spezifischen Dehngrenze und Steifigkeit, der guten Oxidationsbeständigkeit, dem Widerstand gegen „Titanfeuer“ sowie der Kriechbeständigkeit bis zu hohen Temperaturen ein aussichtsreicher Kandidat um die etwa doppelt so schweren Nickelbasislegierungen in Laufrädern oder Turbinenrädern von Abgasturboladern zu ersetzen. In dieser Arbeit wurde das Kriechverhalten einer geschmiedeten TNM-Legierung mit der nominellen Zusammensetzung Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B (at.%) und einer nahezu lamellaren Mikrostruktur im maximalen Last- und Temperaturbereich von Turbinenrädern in Dieselverbrennungsmotoren untersucht. Aus der Bestimmung von Spannungsexponent und Aktivierungsenergie konnte die minimale Kriechrate über einen weiten Temperatur- und Spannungsbereich beschrieben werden. Durch mikrostrukturelle Untersuchungen des Ausgangsmaterials im Raster- (REM) und Transmissionselektronenmikroskop (TEM) wurden die Auswirkungen verschiedener Gefügebestandteile, wie Anteil der βo-Phase oder Lamellenbreite, auf das Kriechverhalten diskutiert und mit vergleichenden Härtemessungen korreliert. Untersuchungen zur Gefügeentwicklung nach den Kriechversuchen zeigten im REM eine stabile Mikrostruktur bis hin zur minimalen Kriechrate. In TEM-Aufnahmen an ausgewählten Kriechproben konnten erstmals temperaturinduzierte Ausscheidungen der βo-Phase in den α2-Lamellen in einer TNM-Legierung nachgewiesen werden. Abschließende Untersuchungen der Mikrostruktur eines am Heißgasprüfstand getesteten Turbinenrades zeigten eine grundsätzliche Vergleichbarkeit mit dem Referenzmaterial, jedoch konnten leichte Abweichungen in der Phasenzusammensetzung festgestellt werden. Mit den Ergebnissen der durchgeführten Kriechversuche steht nun eine breite Datenbasis für eine auf die applikationsspezifischen Randbedingungen optimierte Auslegung von Turboladerlaufrädern in einer frühen Phase der Entwicklung zur Verfügung.

KW - intermetallic material

KW - titanium aluminide

KW - TiAl

KW - creep

KW - microstructural development

KW - exhaust gas turbocharger

KW - turbine wheel

KW - Intermetallische Werkstoffe

KW - Titanaluminid

KW - TiAl

KW - Kriechen

KW - Gefügeentwicklung

KW - Abgasturbolader

KW - Turbinenrad

M3 - Masterarbeit

ER -