Grenzflächenuntersuchung sowie Charakterisierung der Oxidationsbeständigkeit und der mechanischen Eigenschaften von halogenierten y-TiAl-Oberflächen mit keramischer Wärmedämmschicht

• Antragsteller: Dr.-Ing. Reinhold Braun; Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens; Professor Dr.-Ing. Michael Schütze
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 168203429

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projektes konnten in einem ganzheitlichen Ansatz wichtige Fragestellungen der Grundlagenforschung im Zusammenhang mit Wärmedämmschichten auf halogenierten γ-TiAl Legierungen untersucht werden. Hierbei wurden komplexe Zusammenhänge der Wechselwirkung zwischen Oxidations- und Thermalschutz mit den mechanischen Eigenschaften einer TNM-B1 Legierung (Ti-43,5Al-4Nb-1Mo-0,1B at. %) charakterisiert. Es wurden drei Halogenierungsverfahren auf ihre Zweckmäßigkeit und Oxidationsbeständigkeit getestet. Hierbei hat sich das Besprühen mit einem Fluorpolymer (F-Polymer) aufgrund seiner kostengünstigen Umsetzbarkeit sowie der guten Oxidationsbeständigkeit an Luft für mehr als 1000 1 h Zyklen bei 1000 °C als besonders geeignet erwiesen. Auf der fluorierten TNM-B1 Legierung konnte nach einer isothermen Voroxidation bei 900 °C für 24 h an Luft zwecks Bildung einer Al2O3-Schicht die keramische Wärmedämmschicht erstmalig bei einer Substrattemperatur von 1000 °C abgeschieden werden. Die EB-PVD Wärmedämmschicht weist hierbei aufgrund der hohen Substrattemperatur die nach industriellen Standards geforderte optimal dichte und kolumnare Schichtmorphologie auf, wie sie bisher nur bei Wärmedämmschicht-Systemen auf Nickelbasis-Superlegierungen erreicht wurde. Eine zusätzliche Haftvermittlerschicht zwischen metallischem Substrat und keramischer WDS ist durch die Ausnutzung des Halogeneffekts, der eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit des Systems gewährleistet, nicht mehr notwendig. Für dieses WDS-System wurden Lebensdauern von über 1000 1 h Zyklen bei 900 °C bestimmt, die auch bei einer Auslagerungstemperatur von 1000 °C erreicht sind. Zugversuche bei Raumtemperatur und höheren relevanten Einsatztemperaturen zeigen eine durch die entsprechenden Wärmebehandlungen verursachte Abnahme der Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei beschichteten Proben im Vergleich mit dem unbehandelten Material. Bei Proben mit und ohne Fluorbehandlung konnten mikrostrukturelle Veränderungen nach den Wärmebehandlungen der Voroxidation sowie nach der thermischen Auslagerung während des EB-PVD Verfahrens nachgewiesen werden. Unterhalb der Oxidschicht scheidet sich durch Umwandlung der βo-Phase zunehmend die α2-Phase im Randbereich des Substrats bis zu einer Tiefe von ca.60 μm aus. Die Fluorbehandlung unterstützt diese Wirkung durch die selektive Ausbildung einer Al2O3 Schicht auf der Oberfläche und der dadurch bedingten Al Verarmung. Da die α2-Phase aufgrund ihrer hexagonalen Gitterstruktur extrem spröde ist, wirken sich diese Ausscheidungen am Rand insbesondere auf die mechanischen Eigenschaften aus und verursachen eine Versprödung des Werkstoffes. Die hohe Sauerstofflöslichkeit von 15-20 at. % in der α2-Phase verstärkt diese Schädigung der Duktilität. Die zur Versprödung führenden Mechanismen sind jedoch bisher nur bei 2-phasigen TiAl-Legierungen untersucht worden. Die WDS selbst scheint keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften zu haben. Risse, die sich während des Zugversuchs bilden, werden in der spröden Randzone unterhalb der Oxidschicht initiiert. Demnach sollten sich weiterführende Arbeiten damit beschäftigen, diese Versprödung im oberflächennahen Bereich zu vermeiden und den Effekt der Randzonenversprödung in einer βo-haltigen TiAl Legierung eingehend zu untersuchen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Thermal barrier coatings on γ-TiAl protected by the halogen effect, Surface and Coatings Technology 212 (2012) 72-78
  S. Friedle, N. Nießen, R. Braun, M. Schütze
  
• Cyclic oxidation behaviour of the titanium alloys Ti-6242 and Ti-17 with Ti–Al–Cr–Y coatings at 600 and 700°C in air, Surface and Coatings Technology 223 (2013) 24-31
  A. Ebach-Stahl, C. Eilers, N. Laska, R. Braun
  
• Lifetime of Thermal Barrier Coatings Deposited on γ-TiAl Based Alloys Using Intermetallic Ti–Al–Cr Bond Coats with Additions of Yttrium and Zirconium, Oxidation of Metals 81 (2014) 83-934
  N. Laska, R. Braun
  
• Mechanical properties and microstructure of a TNM alloy protected by the fluorine effect and coated with a thermal barrier, TMS Proceedings “Gamma TiAl Alloys 2014”, San Diego, Kalifornien, 2014
  A. Straubel, S. Friedle, M. Schütze, N. Nießen, R. Braun, C. Leyens
  
• Oxidation and fatigue behaviour of gamma titanium aluminides coated with yttrium or zirconium containing intermetallic Ti-Al-Cr layers and thermal barrier coating. Materials at High Temperatures, Volume 32, 2015 - Issue 1-2: Microscopy of Oxidation 9, P 221-229
  N. Laska, R. Braun
  
• Oxidation behaviour of a fluorinated beta-stabilized γ-TiAl alloy with thermal barrier coatings in H2O- and SO2-containing atmospheres. Corrosion Science, Volume 92, March 2015, Pages 280-286
  Simone Friedle, Nadine Laska, Reinhold Braun, Hans-Eberhard Zschau, Mathias C. Galetz, Michael Schütze