TY - THES

T1 - Teilchenkontrolliertes Kornwachstum in γ-TiAl Hochtemperaturlegierungen für die Additive Fertigung

AU - Graf, Gloria

N1 - gesperrt bis 28-05-2024

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - In γ-TiAl Legierungen weist ein volllamellares Gefüge im Vergleich zu anderen Gefügetypen eine verbesserte Kriechbeständigkeit auf. Um ein volllamellares Gefüge einstellen zu können, ist eine Wärmebehandlung im α-Einphasengebiet notwendig. Dabei kann es zu starkem Kornwachstum kommen, wodurch ein grobes Gefüge mit geringer Duktilität entstehen kann. Ausscheidungen können jedoch das Kornwachstum während der Wärmebehandlung eindämmen, was zu einer feineren Korngröße und somit zu einer verbesserten Duktilität führt. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss von Ausscheidungen auf das Kornwachstum in einer additiv gefertigten Ti-Al-Nb-W-Si-C-Zr-B γ-TiAl Legierung untersucht. Zunächst konnten ζ-Ti5Si3 Silizide bereits mittels Röntgendiffraktometer (XRD) und Rasterelektronenmikroskop (REM) Untersuchungen im Pulver der genannten Legierung und zwei weiteren, leicht modifizierten Legierungen nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden mit dem additiven Fertigungsverfahren des Elektronenstrahlschmelzens (EBM) Proben erzeugt, welche zwischen 1320 °C und 1400 °C bei unterschiedlichen Haltezeiten wärmebehandelt wurden. Aufgrund des EBM-Prozesses entsteht zu Beginn der Wärmebehandlung ein Gefüge mit einer bimodalen Korngrößenverteilung. Bei geringen Haltezeiten treten dadurch normales und abnormales Kornwachstum als konkurrierende Prozesse auf bis eine unimodale Korngrößenverteilung eingestellt ist, wobei diese Prozesse stark durch die vorhandenen Ausscheidungen beeinflusst werden. Bei längeren Glühzeiten wird die Korngrößenverteilung unimodal und das Kornwachstum kann normal erfolgen. Karbide sind bei längeren Glühzeiten vollständig aufgelöst und nur die verbleibenden Silizide und Boride unterdrücken dann das Kornwachstum. Mithilfe von Atomsonden Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei diesen Siliziden um (Ti,Nb,Zr)5(Si,Al)3 Silizide handelt, welche außerdem eine erhöhte Löslichkeit für Zr, Nb, B und C aufweisen. Atomsonden Untersuchungen an volllamellaren Proben zeigten zusätzlich, dass die Legierungselemente W, Si und C bevorzugt in der α2-Phase gelöst sind. Im Gegensatz dazu wird das Legierungselement Zr bevorzugt in der γ-Phase gelöst. Die Elemente Si, C und Zr zeigen eine starke Präferenz für die jeweilige Phase, in welcher sie sich stärker lösen. Dies führt zu einer gehemmten Umwandlungskinetik und kann in weiterer Folge die α2/γ-Lamellen verfeinern und gegen eine Vergröberung stabilisieren, was zu einer verbesserten Kriechbeständigkeit führt. Verursachen die Elemente in den jeweiligen Phasen eine Mischkristallverfestigung, trägt dies zusätzlich zu einer erhöhten Kriechbeständigkeit bei.

AB - In γ-TiAl Legierungen weist ein volllamellares Gefüge im Vergleich zu anderen Gefügetypen eine verbesserte Kriechbeständigkeit auf. Um ein volllamellares Gefüge einstellen zu können, ist eine Wärmebehandlung im α-Einphasengebiet notwendig. Dabei kann es zu starkem Kornwachstum kommen, wodurch ein grobes Gefüge mit geringer Duktilität entstehen kann. Ausscheidungen können jedoch das Kornwachstum während der Wärmebehandlung eindämmen, was zu einer feineren Korngröße und somit zu einer verbesserten Duktilität führt. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss von Ausscheidungen auf das Kornwachstum in einer additiv gefertigten Ti-Al-Nb-W-Si-C-Zr-B γ-TiAl Legierung untersucht. Zunächst konnten ζ-Ti5Si3 Silizide bereits mittels Röntgendiffraktometer (XRD) und Rasterelektronenmikroskop (REM) Untersuchungen im Pulver der genannten Legierung und zwei weiteren, leicht modifizierten Legierungen nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden mit dem additiven Fertigungsverfahren des Elektronenstrahlschmelzens (EBM) Proben erzeugt, welche zwischen 1320 °C und 1400 °C bei unterschiedlichen Haltezeiten wärmebehandelt wurden. Aufgrund des EBM-Prozesses entsteht zu Beginn der Wärmebehandlung ein Gefüge mit einer bimodalen Korngrößenverteilung. Bei geringen Haltezeiten treten dadurch normales und abnormales Kornwachstum als konkurrierende Prozesse auf bis eine unimodale Korngrößenverteilung eingestellt ist, wobei diese Prozesse stark durch die vorhandenen Ausscheidungen beeinflusst werden. Bei längeren Glühzeiten wird die Korngrößenverteilung unimodal und das Kornwachstum kann normal erfolgen. Karbide sind bei längeren Glühzeiten vollständig aufgelöst und nur die verbleibenden Silizide und Boride unterdrücken dann das Kornwachstum. Mithilfe von Atomsonden Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei diesen Siliziden um (Ti,Nb,Zr)5(Si,Al)3 Silizide handelt, welche außerdem eine erhöhte Löslichkeit für Zr, Nb, B und C aufweisen. Atomsonden Untersuchungen an volllamellaren Proben zeigten zusätzlich, dass die Legierungselemente W, Si und C bevorzugt in der α2-Phase gelöst sind. Im Gegensatz dazu wird das Legierungselement Zr bevorzugt in der γ-Phase gelöst. Die Elemente Si, C und Zr zeigen eine starke Präferenz für die jeweilige Phase, in welcher sie sich stärker lösen. Dies führt zu einer gehemmten Umwandlungskinetik und kann in weiterer Folge die α2/γ-Lamellen verfeinern und gegen eine Vergröberung stabilisieren, was zu einer verbesserten Kriechbeständigkeit führt. Verursachen die Elemente in den jeweiligen Phasen eine Mischkristallverfestigung, trägt dies zusätzlich zu einer erhöhten Kriechbeständigkeit bei.

KW - Additive Manufacturing

KW - Electron Beam Melting (EBM)

KW - powder

KW - titanium aluminide

KW - TiAl

KW - grain growth

KW - abnormal grain growth

KW - normal grain growth

KW - silicides

KW - carbides

KW - precipitations

KW - atom probe tomography (APT)

KW - Zr

KW - Si

KW - C

KW - Additive Fertigung

KW - Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

KW - Pulver

KW - Titanaluminide

KW - TiAl

KW - Kornwachstum

KW - abnormales Kornwachstum

KW - normales Kornwachstum

KW - Silizide

KW - Karbide

KW - Ausscheidungen

KW - Atomsonde (APT)

KW - Zr

KW - Si

KW - C

M3 - Masterarbeit

ER -