TY - THES

T1 - Mikrostruktureinfluss auf Schwellwertverhalten und Bruchzähigkeit von additiv gefertigten γ-Titanaluminiden

AU - Zeiler, Stefan

N1 - gesperrt bis 01-05-2026

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Eine Gewichtsreduktion der umlaufenden Bauteile in einem Triebwerk, ermöglicht den Treibstoffverbrauch zu senken und die Effizienz zu steigern. Dies wird vor allem durch das Ersetzen von konventionellen Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine (NDT) mit Titanaluminiden (kurz TiAl), welche neben einer hohen spezifischen Festigkeit auch eine gute Kriech- und Oxidationsbeständigkeit aufweisen, bewerkstelligt. Da TiAl-Legierungen im Vergleich zu konventionellen Nickelbasislegierungen eine eingeschränkte Duktilität und Bruchzähigkeit besitzen, ist es wichtig die mikrostrukturellen Einflüsse auf diese Parameter besser zu verstehen. Im Zuge dieser Masterarbeit wurden an zwei verschiedenen Legierungen (BMBF3 und TNMZ4010) in unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen sowohl Schwellwert- als auch Bruchzähigkeitsmessungen durchgeführt. Da die verwendeten Proben additiv im Pulverbettverfahren mittels selektivem Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) hergestellt wurden, wurden stets zwei Probenorientierungen geprüft, um die Richtungsabhängigkeit der bruchmechanischen Eigenschaften zu erforschen. Anschließend wurden die Bruchflächen mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM) untersucht, um Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen abzuleiten. Neben den gemessenen Schwellwerten und Bruchzähigkeitswerten wurden auch Risswiderstandskurven (R-Kurven) und Rissfortschrittskurven (da/dN-ΔK-Kurven) ermittelt. Zusätzlich wurden Treibkraftdiagramme konstruiert, mit welchen Aussagen zur maximal zulässigen Belastung oder Belastungsschwingbreite getroffen werden können. Alle erhaltenen Ergebnisse werden mit den Eigenschaften eines ausgewählten Wärmebehandlungszustandes der etablierten TNM Legierung verglichen. Die Untersuchungen zeigten, dass große α2/γ-Kolonien eine hohe Bruchzähigkeit zur Folge haben, jedoch den Langrissschwellwert kaum positiv beeinflussen. Hingegen zeigen Duplex-Gefüge mit kleinen α2/γ-Kolonien und dicken Lamellen hohe Langrissschwellwerte und niedrige Bruchzähigkeitswerte. Proben mit hohen Anteilen an globularer γ-Phase weisen sowohl niedrige Bruchzähigkeitswerte als auch niedrige Langrissschwellwerte auf. Einige untersuchte Mikrostrukturen zeigen eine starke Richtungsabhängigkeit der bruchmechanischen Eigenschaften. Die Variationen in den Mikrostrukturen haben somit einen deutlichen Einfluss auf die Eigenschaften und es muss noch untersucht werden, welche der neuen möglichen Mikrostrukturkombinationen das Niveau der etablierten TNM Legierung erreichen können.

AB - Eine Gewichtsreduktion der umlaufenden Bauteile in einem Triebwerk, ermöglicht den Treibstoffverbrauch zu senken und die Effizienz zu steigern. Dies wird vor allem durch das Ersetzen von konventionellen Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine (NDT) mit Titanaluminiden (kurz TiAl), welche neben einer hohen spezifischen Festigkeit auch eine gute Kriech- und Oxidationsbeständigkeit aufweisen, bewerkstelligt. Da TiAl-Legierungen im Vergleich zu konventionellen Nickelbasislegierungen eine eingeschränkte Duktilität und Bruchzähigkeit besitzen, ist es wichtig die mikrostrukturellen Einflüsse auf diese Parameter besser zu verstehen. Im Zuge dieser Masterarbeit wurden an zwei verschiedenen Legierungen (BMBF3 und TNMZ4010) in unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen sowohl Schwellwert- als auch Bruchzähigkeitsmessungen durchgeführt. Da die verwendeten Proben additiv im Pulverbettverfahren mittels selektivem Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) hergestellt wurden, wurden stets zwei Probenorientierungen geprüft, um die Richtungsabhängigkeit der bruchmechanischen Eigenschaften zu erforschen. Anschließend wurden die Bruchflächen mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM) untersucht, um Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen abzuleiten. Neben den gemessenen Schwellwerten und Bruchzähigkeitswerten wurden auch Risswiderstandskurven (R-Kurven) und Rissfortschrittskurven (da/dN-ΔK-Kurven) ermittelt. Zusätzlich wurden Treibkraftdiagramme konstruiert, mit welchen Aussagen zur maximal zulässigen Belastung oder Belastungsschwingbreite getroffen werden können. Alle erhaltenen Ergebnisse werden mit den Eigenschaften eines ausgewählten Wärmebehandlungszustandes der etablierten TNM Legierung verglichen. Die Untersuchungen zeigten, dass große α2/γ-Kolonien eine hohe Bruchzähigkeit zur Folge haben, jedoch den Langrissschwellwert kaum positiv beeinflussen. Hingegen zeigen Duplex-Gefüge mit kleinen α2/γ-Kolonien und dicken Lamellen hohe Langrissschwellwerte und niedrige Bruchzähigkeitswerte. Proben mit hohen Anteilen an globularer γ-Phase weisen sowohl niedrige Bruchzähigkeitswerte als auch niedrige Langrissschwellwerte auf. Einige untersuchte Mikrostrukturen zeigen eine starke Richtungsabhängigkeit der bruchmechanischen Eigenschaften. Die Variationen in den Mikrostrukturen haben somit einen deutlichen Einfluss auf die Eigenschaften und es muss noch untersucht werden, welche der neuen möglichen Mikrostrukturkombinationen das Niveau der etablierten TNM Legierung erreichen können.

KW - Bruchmechanik

KW - Titanaluminid

KW - Additive Fertigung

KW - Fracture Mechanics

KW - Titanium Aluminides

KW - Additive Manufacturing

M3 - Masterarbeit

ER -