Hochdruckdrehbeanspruchungsinduzierte Phasenumwandlung in Titan und Titanlegierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozentin Olga Fabrichnaya, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Horst Hahn; Dr. Julia Ivanisenko; Professor Dr. David Rafaja
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267921614

Die Methoden der extremen plastischen Verformung (severe plastic deformation, SPD) werden immer intensiver für die Herstellung von nanostrukturiertem Titan und Titanlegierungen, zumindest im Labormaßstab, verwendet. In Abhängigkeit von der verwendeten Art der Druckbelastung findet die Phasenumwandlung von α-Ti in die Hochdruckphase ω-Ti zwischen 2 und 12 GPa statt. Außerdem können äußere Scherspannungen als Triebkraft für martensitische Phasenumwandlungen wirken. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von SPD mittels Hochdrucktorsion (HPT) für die Untersuchung der Umwandlung von α- in ω-Ti von großem Vorteil, da mit dieser Technik gleichzeitig hohe Drücke und extreme Scherspannungen unter gut kontrollierbaren Bedingungen erzeugt werden können. In der ersten Förderperiode hat sich bereits gezeigt, dass die durch HPT-Prozess ausgelösten Phasenumwandlungen sehr stark vom Anteil an β-Ti stabilisierenden Elementen abhängen.Das Ziel des Fortsetzungsprojektes ist die Beschreibung der mechanisch gesteuerten Phasenumwandlungen in Ti–Fe- und Ti-Co-Legierungen, die mittels HPT-Prozess bei erhöhten und kryogenen Temperaturen erzeugt werden. Hierbei steht die Klärung des Zusammenspiels von diffusionskontrollierten und martensitischen (diffusionslosen) Prozessen während der α → ω und β → ω Phasenumwandlungen im Mittelpunkt. Aufbauend auf den Erkenntnissen der ersten Förderperiode soll die Auswirkung ausgewählter Mikrostrukturmerkmale, insbesondere der Mikrostrukturdefekte, auf die Stabilisierung metastabiler Phasen beschrieben werden. Darüber hinaus sollen die Zusammenhänge zwischen den Mikrostrukturmerkmalen wie lokale Phasenzusammensetzung, Beschaffenheit der Korn- und Phasengrenzen, und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften geklärt werden. Zuletzt sollen auch thermodynamische Modelle mit Hilfe der CalPhaD-Methode entwickelt werden, mit denen die Stabilität der metastabilen Phasen vorhergesagt werden kann.Die Mikrostruktur und Phasenzusammensetzung der Proben sowie die thermische Stabilität der einzelnen Phasen werden mit Hilfe von XRD (einschließlich in situ XRD bei hohen Temperaturen), DSC, konventioneller und analytischer TEM (einschließlich ACOM TEM), und Atomsonden-Tomografie bestimmt. Der Einfluss des Ausgangszustandes des Materials (Legierungsgehalt, Phasenzusammensetzung und Mikrostrukturmerkmale) und der Prozessparameter (Druck, Temperatur, Dehnung und Dehnrate) auf die Phasenumwandlungen werden gezielt untersucht. Die experimentelle Arbeit wird durch die Berechnung von Hochdruck-Phasendiagrammen ergänzt. Die vorgeschlagenen Untersuchungen werden wesentlich zum Grundverständnis der mechanisch gesteuerten Phasenumwandlungen von Ti-Legierungen beitragen. Die somit erhaltenen Ergebnisse sind hierbei nicht nur im Bereich der Grundlagenforschung von hohem Interesse, sondern ermöglichen eine gezielte thermomechanische Behandlung von ultrafeinkörnigen Materialien mit hoher Festigkeit und Duktilität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Academy of Sciences (RAS)
• Kooperationspartner: Professor Boris B. Straumal