Umwandlung von h-Al2Ti und Al5Ti3 und Bildung lamellarer gamma-TiAl + r-Al2Ti Gefüge

• Applicant: Dr. Frank Stein
• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2005 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 14863661

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Die bisher nicht verstandene Umwandlungskinetik der Transformation der metastabilen Phase h-Al2Ti in die stabile Phase r-Al2Ti und die Auflösung der ebenfalls metastabilen Phase Al5Ti3 wurden aufgeklärt. Dazu wurden nach verschiedenen Verfahren am MPIE und beim Projektpartner Access Proben hergestellt. Die Gefüge der Proben wurden am MPIE metallografisch mittels Lichtmikroskopie und am Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht und der Phasenbestand mit Röntgenpulver-Diffraktometrie (XRD) und Elektronenstrahl-Mikrosonde (ESMA) bestimmt. Zur Bestimmung der metastabilen Phasen und deren Orientierungsbeziehungen mit der TiAl Matrix wurden die Möglichkeiten der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) beim Projektpartner caesar/CAU genutzt. Alle Legierungen wiesen die metastabilen Phasen h-Al2Ti und Al5Ti3, erstere aber z. T. erst nach 1 h Wärmebehandlung bei 800 °C oder höheren Temperaturen, auf, so dass sie für die geplanten Untersuchungen bestens geeignet waren. Zur Untersuchung der Umwandlungskinetik wurden die Proben für 1, 10, 100 und 1000 h bei 800 – 1000 °C ausgelagert. Anschließend wurden die Proben wiederum wie oben beschrieben charakterisiert. Ergänzend dazu wurden die Umwandlungstemperaturen durch in-situ Versuche mittels Differenz-Thermoanalyse (MPIE) und Heizversuchen im TEM (caesar/CAU) bestimmt. Es zeigte sich, dass die Umwandlungsgeschwindigkeit von h-Al2Ti in r-Al2Ti mit steigender Temperatur schnell zunimmt. Während bei 900 °C noch nach 100 h metastabiles h-Al2Ti nachweisbar ist, ist die Umwandlung bei 1000 °C nach 10 h bereits abgeschlossen. In allen Fällen erfolgte die Umwandlung nach zwei konkurrierenden Mechanismen. Mechanismus A, bei dem die Umwandlung „in-situ“ durch sukzessive Eliminierung konservativer Antiphasengrenzen erfolgt, war schon länger bekannt. Die Existenz von Mechanismus B, bei dem sich h-Al2Ti auflöst und anschließend r-Al2Ti ausscheidet, konnte bestätigt werden und es wurde erstmals gezeigt, dass auch dieser Mechanismus im gesamten Zusammensetzungsbereich auftritt. Unabhängig von Zusammensetzung und Temperatur bildet sich nach Mechanismus A immer globulares r-Al2Ti, nach Mechanismus B immer orientierte Lamellen von r-Al2Ti. Letzteres führt zur Ausbildung der lamellaren r-Al2Ti + TiAl Gefüge. Überraschend war, dass Mechanismus B, bei dem sich erst h-Al2Ti auflöst und dann erst r-Al2Ti ausscheidet, bei gegebener Temperatur und Zusammensetzung schneller abläuft als die „in-situ“ Umwandlung nach Mechanismus A. Erstmals konnte auch nachgewiesen werden, dass die oben beschriebenen Mechanismen nicht auf binäre Legierungen beschränkt sind, sondern auch in ternären Legierungen (mit Nb und Cr) auftreten und auch dort zur Bildung lamellarer Gefüge führen. Allerdings entstehen im Fall der Ti-Al-Nb Legierungen Gefüge mit anderer Orientierung. Diese Gefüge sind außerordentlich stabil und zeigen keine Vergröberung nach 1000 h Auslagerung bei 900 °C. Die Untersuchung der unterschiedlich hergestellten Legierungen ergab überraschenderweise, dass trotz gleicher Zusammensetzung und Umwandlungsmechanismen sehr unterschiedliche lamellare Gefüge entstehen können. Während sich in Einkristallen – die keine Korngrenzen aufweisen – „fully lamellar“ Gefüge einstellen lassen wie sie aus TiAl-Legierungen bekannt sind, weisen die polykristallinen Legierungen immer zusätzlich globulares r-Al2Ti auf den Korngrenzen auf. Je nach Herstellung der Legierung kann dieser Anteil, wie auch die durchschnittliche Lamellenbreite in den r-Al2Ti + TiAl Gefügen, stark schwanken. Auch die Auflösung von Al5Ti3, das stark versprödend wirkt, konnte aufgeklärt werden. Es zeigte sich, dass die Auflösungstemperatur bei gegebener Zusammensetzung nicht konstant ist. Je länger die Probe im Existenzbereich der Phase Al5Ti3, z. B. bei 800 °C ausgelagert wird, desto höher ist die Temperatur, bei der sich die Phase auflöst. Grund für dieses bemerkenswerte Verhalten sind die sich mit zunehmender Auslagerungsdauer ausbildenden kohärenten Gefüge. Da diese eine höhere Grenzflächenenergie aufweisen als die anfangs vorhandenen Domänen steigt die Auflösungstemperatur an. Mit den durchgeführten Arbeiten erscheinen die Umwandlungskinetik der metastabilen Phase h-Al2Ti in die stabile Phase r-Al2Ti und die Kinetik der Auflösung der metastabilen Phase Al5Ti3 im binären System Ti-Al hinreichend geklärt. Insofern planen die Antragsteller zu diesem Themenkomplex keine weiteren Arbeiten. Das gleiche gilt für Untersuchungen zur Gefügestabilität, wobei aber hier darauf verwiesen werden muss, dass die TEM- Untersuchungen noch nicht abgeschlossen sind. Im Hinblick auf zukünftige Legierungsentwicklungen erscheinen die untersuchten Legierungen weiterhin interessant, auch wenn die jetzt durchgeführten Untersuchungen keine Möglichkeiten zur Erhöhung der Duktilität aufgezeigt haben. Hier wird es darauf ankommen, das Potenzial dieser Legierungen – hohe spezifische Festigkeit gepaart mit guter Oxidationsbeständigkeit – durch entsprechende Auslegung von Bauteilen zu erschließen.

Publications

• Creep strength of centrifugally cast Al-rich TiAl alloys; Materials Science Engineering A 510-511 (2009) 373-376
  D. Sturm, M. Heilmaier, H. Saage, M. Paninski, G.J. Schmitz, A. Drevermann, M. Palm, F. Stein, N. Engberding, K. Kelm, S. Irsen
  
• Casting and Properties of Al-rich Ti-Al alloys; 11th World Conference on Titanium Ti-2007, 03. - 07.06. 2007, Kyoto, Japan
  M. Paninski, A. Drevermann, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
  
• Casting and Properties of Al-rich Ti-Al alloys; in: M. Ninomi, S. Akiyama, M. Hagiwara, M. Ikeda, K. Maruyama (Hrsg.): Ti-2007 Science and Technology, Vol. 2, Japan Institute of Metals, Sendai, Japan, (2007), 1059-1062
  M. Paninski, A. Drevermann, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
  
• Characterization of the microstructure of Al-rich TiAl-alloys by combined TEM imaging techniques; Deutsche Gesellschaft für Elektronenmikroskopie, DGE-33, 02. – 07.09. 2007, Saarbrücken
  K. Kelm, S. Irsen, M. Paninski, A. Drevermann, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
  
• Characterization of the microstructure of Al-rich TiAl-alloys by combined TEM imaging techniques; Microscopy and Microanalysis, 13 Suppl. 3 (2007) 294-295
  K. Kelm, S. Irsen, M. Paninski, A. Drevermann, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
  
• Mechanical Properties of Centrifugally Cast Al-Rich TiAl Alloys, EUROMAT 2007, 10. – 13.09. 2007, Nürnberg
  D. Sturm, H. Saage, M. Heilmaier, M. Paninski, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, A. Drevermann, N. Engberding
  
• Creep strength of centrifugally cast Al-rich TiAl alloys; 11th International Conference on Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures - Creep 2008, 04. - 09.05. 2008, Bayreuth
  D. Sturm, M. Heilmaier, H. Saage, M. Paninski, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, A. Drevermann, N. Engberding, K. Kelm, S. Irsen
  
• Precipitation reactions in Ti40Al60 and Ti38Al62 alloys and symmetry relations of the phases involved; MRS Fall Meeting, 01. - 05.12. 2008, Boston, US
  K. Kelm, S. Irsen, A. Drevermann, J. Aguilar, G. J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, N. Engberding, M. Heilmaier, D. Sturm, H. Saage
  
• Properties of cast Al-rich Ti-Al alloys, TMS 2008 Annual Meeting & Exhibition, 09. - 13.03. 2008, New Orleans, USA
  M. Paninski, A. Drevermann, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
  
• Transformation kinetics of h-Al2Ti to r-Al2Ti and dissolution of Al5Ti3; Materials Science & Engineering (MSE) 2008, 01. - 04.09. 2008, Nürnberg
  N. Engberding, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, H. Saage, D. Sturm, G.J. Schmitz, J. Aguilar, A. Drevermann, K. Kelm, S. Irsen
  
• Unidirectional solidification and single crystal growth of Al-rich Ti-Al alloys; MRS Fall Meeting, 01. - 05.12. 2008, Boston, USA
  A. Drevermann, G. J. Schmitz, G. Behr, C. Guguschev, N. Engberding, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, D. Sturm
  
• High temperature Creep Behaviour of Al-rich TiAl Alloys, ICSMA 15, 15th International Conference on the Strength of Materials, 16. – 21.08. 2009, Dresden
  D. Sturm, M. Heilmaier, H. Saage, G.J. Schmitz, A. Drevermann, M. Paninski, F. Stein, M. Palm, N. Engberding, K. Kelm, S. Irsen
  
• In situ TEM observation of precipitation reactions in Ti40Al60 and Ti38Al62 alloys and symmetry relations of the phases involved; Materials Research Society Symposium Proceedings, 1128 (2009) 135-140
  K. Kelm, J. Aguilar, A. Drevermann, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, N. Engberding, S. Irsen
  
• Creep strength of a binary Al62Ti38 alloy, International Journal of Materials Research 101 (2010) 676-679
  D. Sturm, M. Heilmaier, H. Saage, J. Aguilar, G.J. Schmitz, A. Drevermann, M. Palm, F. Stein, N. Engberding, K. Kelm, S. Irsen
  
• TEM studies of Ti 36 Al 62 Nb 2 alloys; Materials Science & Engineering (MSE) 2010, 24. - 26.08. 2010, Darmstadt
  V. S. K. Chakravadhanula, K. Kelm, D. Sturm, M. Heilmaier, J. Aguilar, G. J. Schmitz, A. Drevermann, V. Duppel, A. Lotnyk, L. Kienle, F. Stein, M. Palm