Verarbeitung und Einstellung der Mikrostruktur von y-TiAl durch Selektives Elektronenstrahlschmelzen
Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem geförderten Projekt wurde ein weites Prozessfenster für die Verarbeitung einer intermetallischen Legierung basierend auf γ-TiAl für das selektive Elektronenstrahl-schmelzen (SEBM) erarbeitet. TiAl wurde schon früh als potentieller Kandidat für die Gewichtsreduzierung und Leistungssteigerung von Flugzeugtriebwerken und Verbrennungsmotoren identifiziert, allerdings stellt die schlechte Verarbeitbarkeit dieser Materialien ein ernstes Hindernis für den Einsatz dar. Die additive Fertigung und im Besonderen das SEBM eröffnen eine neuartige und vielversprechende Prozessrute zur Herstellung komplexer Bauteile near- bzw. net-shape. Das Projekt konnte anhand der Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb zeigen, dass die Verarbeitung dieser Werkstoffe über einen breiten Bereich von Prozessparametern möglich ist. Es konnte auch gezeigt werden, dass über Variation der Prozessparameter extrem unterschiedliche Mikrostrukturen im fertigen Material eingestellt werden können. Die erzielten Mikrostrukturen reichen von so genannter vollamellarer Mikrostruktur, welche interessant für Hochtemperatureigenschaften ist, bis zu Mikrostrukturen welche durch massiv Umwandlung entstehen (massiv-γ). Letztere ist interessant, da durch relativ kurze Wärmebehandlungen „convolutetd microstructures“ kreiert werden können, welche eine exzellente Balance zwischen Raum- und Hochtemperatureigenschaften bietet. Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeit zur lokalen Einstellung der Mikrostruktur während der Herstellung im SEBM und damit einer lokalen Anpassung der Eigenschaften des Bauteils an das Anforderungsprofil der Anwendung. Im Prinzip wäre es möglich den Fuß einer Turbinenschaufel mit anderen Eigenschaften herzustellen als die Schaufel selbst um diese dem Belastungsprofil anzupassen. Die Änderung der Mikrostruktur konnte auf zwei Faktoren zurückgeführt werden: 1. Das Abdampfen des leichten Elements Aluminium durch hohe Energieeinbringung und 2. die sich durch Änderung der Strahlparameter ändernden Abkühlbedingungen im Schmelzpool. Durch Parameter und Scanstrategieanpassung konnte der Al-Verlust nach Bedarf auf ein Minimum reduziert werden (0.5 At% Verlust), allerdings wurde für alle Proben eine gewisse Schichtig-keit der Al-Verteilung beobachtet, da das Abdampfen auf die Schmelzpooloberfläche beschränkt ist und keine ausreichende Vermischung im Schmelzpool stattzufinden scheint um dies wieder auszugleichen. Die Einstellung der Mikrostruktur über die Abkühlbedingungen scheint daher der bessere Ansatz. Interessant ist auch der Unterschied bzgl. der Abkühlbedingungen im Vergleich zu Gießverfahren. Während beim Gießen die Bauteilgeometrie und Wandstärken von entscheidender Bedeutung für die Abkühlgeschwindigkeit und damit die entstehende Mikrostruktur sind, sind diese Faktoren beim SEBM entkoppelt, da die Abkühlbedingungen fast ausschließlich von den verwendeten Schmelzparametern abhängen. Ebenfalls untersucht wurden die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Materialien bei Raumtemperatur und bei 700 °C, der voraussichtlichen Einsatztemperatur der untersuchten Legierung. Die liegend aufgebauten Zugproben zeigten dabei den in der Literatur berichteten Werten überlegene Eigenschaften, sowohl in Duktilität als auch Zugfestigkeit. Die stehend aufgebauten Proben zeigten leider durch einen Herstellungsfehler frühzeitiges versagen und konnten damit nicht interpretiert werden. Zuletzt wurde auch noch der Einfluss einer Wärmebehandlung unterhalb der α-Transus Temperatur untersucht. Dabei konnten die Eigenschaften noch einmal verbessert werden. Allerdings zeigte sich auch die Gefahr der ungleichmäßigen Al-Verteilung, da diese in Al-armen Bereichen, bei unvorsichtiger Temperaturwahl, frühzeitig zu einer Vergröberung und damit Verschlechterung der Eigenschaften führen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Influencing the microstructure of TiAl during EBM”, TiAl-Tech Beijing (China) June 2012
J. Schwerdtfeger, R.F. Singer, C. Körner
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“Gamma TiAl by selective electron beam melting: Microstructure and Aluminium loss”, GAT 2013 Toulouse (France), June 2013
J. Schwerdtfeger, R. Singer, C. Körner
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“Gamma TiAl by selective electron beam melting: Process parameters and Microstructure”, Euromat 2013 Sevilla (Spain), September 2013
J. Schwerdtfeger, R. Singer, C. Körner
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Selective electron beam melting of Ti-48Al-2Nb-2Cr: Microstructure and aluminium loss. Intermetallics Volume 49 (2014), p. 29–35
Schwerdtfeger, Jan & Körner, Carolin
