Eigenschaftsverbesserung von Titanaluminiden durch Legieren

Intermetallische Werkstoffe auf Basis von Titan und Aluminium werden als TiAl-Basislegierungen bezeichnet. Diese Werkstoffklasse besitzt attraktive Eigenschaften, wie einen hohen Schmelzpunkt und einen hohen spezifischen Elastizitätsmodul sowie gute Kriech- und Oxidationseigenschaften bis 700C. In Kombination mit einer geringen Dichte, ungefähr der Hälfte von jener der bislang eingesetzten Nickelbasislegierungen, wird dieser Werkstoff zu einem Schlüsselmaterial für unterschiedlichste Hochtemperaturanwendungen, wo dadurch zum Beispiel die Effizienz von Flugzeugtriebwerken erhöht und die Emission schädlicher Treibhausgase deutlich reduziert wird. Darüber hinaus wird Treibstoff eingespart, was wiederum die verfügbaren Ressourcen schont. Um aber auch in der nächsten Generation umweltfreundlicher Flugzeugtriebwerke eingesetzt werden zu können, muss die Einsatztemperatur dieser Werkstoffklasse auf ungefähr 850C erhöht werden. Das Ziel des eingereichten Projektes stellt eine grundlegende Studie über die Wirkung spezieller Legierungselemente auf die Hochtemperatureigenschaften dar. Um die Mechanismen verstehen zu können, die die mechanischen Eigenschaften im Temperaturbereich von 800C bis 900C bestimmen, muss der Einfluss der Legierungselemente auf das Gefüge und seine Bestandteile untersucht werden. Ein österreichisch-französisches Forscherteam hat dazu eine besondere Vorgansweise gewählt, die darauf aufbaut, dass gezielt ausgewählte Modelllegierungen mittels komplementärer struktureller und mechanischer Methoden untersucht werden. Die zu untersuchenden Werkstoffvarianten werden pulvermetallurgisch hergestellt, d.h. eine Legierungsschmelze wird zu Pulverteilchen verdüst. Die Pulverpartikel werden dann mit Hilfe eines speziellen Sinterverfahrens verdichtet. Die dabei entstehende Mikrostruktur wird durch klassische, aber auch hochauflösende Methoden untersucht, wobei das makroskopische Gefüge als auch der atomare Aufbau sowie die chemische Zusammensetzung analysiert wird. Darüber hinaus werden bei hohen Temperaturen Umformversuche durchgeführt, aus denen man auf die ablaufenden Verformungsmechanismen bei hohen Temperaturen schließen kann. Diese Versuche werden durch elektronenmikroskopische Untersuchungen begleitet, die die mikroskopischen Prozesse sichtbar machen. Diesesgrundlagenorientierte ProjektwirdzueinembesserenVerständnisder Hochtemperatureigenschaften von neuartigen, mehrphasigen Werkstoffen führen, was wiederum die Voraussetzung für eine wissensbasierte Werkstoffentwicklung ist. Die erhaltenen Ergebnisse, obwohl sie grundlegenden Charakter besitzen, können aber nachhaltig dazu beitragen, dass auch die nächste Generation von fortschrittlichen Flugzeugtriebwerken gebaut werden kann, die sowohl der Industrie als auch der Umwelt nützt.

Dieses Projekt untersuchte den Einfluss von substitutionellen und interstitiellen Legierungselementen (Mo, W, C und Si) in intermetallischen -TiAl-basierten Legierungen mit besonderem Fokus auf die im Temperaturbereich von 800 bis 900 C auftretenden Verfestigungsmechanismen sowie auf die thermodynamischen Eigenschaften. Das Projekt wurde im Rahmen einer internationalen Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Metallkunde an der Montanuniversität Leoben in Österreich und dem Zentrum für Materialentwicklung und Strukturuntersuchungen in Frankreich durchgeführt. Die -TiAl-basierten Legierungen mit Mo, W, C und Si besaßen im Vergleich zur binären Referenzlegierung eine verbesserte Festigkeit bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen sowie eine gesteigerte Kriechbeständigkeit. Insbesondere die Legierungen mit W und W+C zeigten die vielversprechendste Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften. Um die Wechselwirkung dieser Elemente mit Versetzungen und somit deren Einfluss auf die Verfestigungsmechanismen zu verstehen, wurde die Verteilung der einzelnen Legierungselemente um die verformungstragenden Versetzungen untersucht. Dazu wurden solche Versetzungen zunächst mit Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert und anschließend wurde mittels Atomsondentomographie und einem neuentwickelten Zielpräparationsverfahren deren lokale chemische Umgebung auf atomarer Ebene bestimmt. Im Fall der W-haltigen Legierung wurden keine Segregationen an den Versetzungen beobachtet, weder bei Raumtemperatur noch nach einer Kriechverformung. Daraus lässt sich schließen, dass die Verbesserung der Kriechfestigkeit durch die Zugabe dieses Elements auf eine Verringerung der Diffusionsaktivität in der -Phase und auf eine Mischkristall-Verfestigung durch das gelösten W zurückgeführt werden kann. Bei der Legierung mit W und C wurden hingegen lokale Anreicherungen beider Elemente an Versetzungen nach der Kriechverformung beobachtet. Dies zeigte, dass die Anwesenheit von C die Segregationsneigung von W verstärkt und deshalb die Kriechbeständigkeit durch ein zusätzliches Verankern der Versetzungen steigert. Die entwickelte Charakterisierungsmethodik für die lokale Elementverteilung in der Umgebung von Versetzungen kann in Zukunft auch auf andere Legierungselemente in -TiAl-basierten Legierungen sowie auf viele andere Materialklassen angewendet werden. Hinsichtlich der Thermodynamik von -TiAl-basierten Legierungen wurde festgestellt, dass Mo und W die Mikrostrukturentwicklung während der Erstarrung und nachfolgenden Wärmebehandlungen drastisch veränderten, indem sie die /o-Phase stabilisierten und Phasenumwandlungen hervorriefen, welche im binären Ti-Al-System nicht vorkommen. Silizium stellte sich als ein -stabilisierendes Element heraus, das die Temperaturen der Festkörperumwandlungen erhöhte und Ti5Si3-Ausscheidungen bildete. In-situ Hochenergie-Röntgenbeugung in Kombination mit einem neu entwickelten Versuchsaufbau wurde zur erstmaligen zeitaufgelösten Untersuchung der während der Pulververdichtung mit Spark Plasma Sintern auftretenden Gleichgewichts- und Ungleichgewichtsumwandlungen verwendet. Die erhaltenen thermodynamischen Daten für die einzelnen Legierungselemente werden in Datenbanken implementiert, um die Genauigkeit thermodynamischer Berechnungen zu verbessern und zukünftige Legierungsentwicklungsprogramme zu unterstützen.