„Oxygen Diffusion Hardening“ (ODH) von Elementen der Titangruppe und deren tribologische Eigenschaften

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Mathias Galetz; Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270293189

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Sauerstoffdiffusionshärtung ist ein vielversprechender Ansatz, die Verschleißeigenschaften von biokompatiblen Legierungen wie der im Vorgängerprojekt betrachteten Zirkonlegierung ZrNb7 zu verbessern. Ziel dieses Projekts war es, die Beobachtungen zu ZrNb7 auf die Titanlegierung Ti6Al4V, Ti6Al4V+Zr, und die Hochentropielegierung TiZrNbHfTa zu übertragen und den Einfluss der Drittelemente im Titanlegierungssystem zu verstehen. Zu diesem Zweck wurden für Ti6Al4V verschiedene Prozesse implementiert: • ein einstufiger Prozess (680 °C, 16 h, Luft), welcher zur Ausbildung einer TiO2 Oxidschicht mit nur marginal ausgeprägter O-Diffusionszone führt • ein zweistufiger Prozess (680 °C, 16 h, Luft + 850 °C, 6 h, Vakuum), bei welchem die Oxidschicht reduziert wird und sich eine ausgeprägter O-Diffusionszone bildet • ein dreistufiger Prozess (680 °C, 16 h, Luft + 850 °C, 6 h, Vakuum + 680 °C, 16 h, Luft), welcher zu einer TiO2 Oxidschicht und einer ausgeprägten O-Diffusionszone führt • Oxidation bei reduziertem O-Partialdruck (850 °C, 2h, PO2=10^-13 Pa), welche zur einer TiO2-Al2O3-TiO2 Oxidschicht und einer ausgeprägten O-Diffusionszone führt • Oxidation in Luft und feuchter Luft mit 10 Vol.-% H2O (500-700 °C, 100-500 h), was zu einer dickeren Oxidschicht sowie O-Diffusionszone mit zunehmender Temperatur und Zeit aber auch zu einer starken Oxidabplatzung in Gegenwart von Wasserdampf führt • ein neuartiger Schlickerprozess (Slurry) (1150 °C, 5 h, Ar), mittels dessen Zr im Ti6Al4V angereichert wird, da Zr sauerstoffaffiner als Ti ist und sich dadurch bei anschließender Oxidation (680 °C, 16 h, Luft) ZrO2-angereichertes TiO2 auf der Oberfläche zu bildet Als vielversprechend zeigt sich die Oxidation bei reduziertem O-Partialdruck. Anders als beim einstufigen und dreistufigen Prozess weißt die erzielte Schicht keine Poren an der Oxidschicht-Substrat Grenzfläche auf, was zu einer guten Schichthaftung führt. Auch das mit Slurry beschichtete Substrat zeigt ein hervorragendes Verschleißverhalten, was neben der Sauerstoffdiffusionshärtung, auch auf mikrostrukturelle Veränderungen (Widmannstätten-Struktur) zurückzuführen ist. Bei TiZrNbHfTa konnte die einstufige Oxidation (600°C, 24h, Luft) erstmalig erfolgreich realisiert werden. Bei ultrafeinkörnigem TiZrNbHfTa wurde eine haftenden, 1-2 µm dicken Oxiddeckschicht auf einer sauerstoffreichen Zone mit inneren Hf- und Zr-Oxiden erzielt, was die Oberflächenhärte mehr als vervierfacht (1522±64 HV0.5). Jedoch geht die Einphasigkeit des TiZrNbHfTa während des Oxidationsvorgangs verloren. Durch zweistufige Oxidation (550°C, 24h, Luft + 1200 °C, 1 h, Vakuum, abschrecken) gelingt es, diese wiederherzustellen, wobei sich in der O-reichen Zone hexagonal-dichtest gepackte Ausscheidungen bilden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Improving the Adhesion of a Hard Oxide Layer on Ti6Al4V by a Three‐Step Thermal Oxidation Process. Advanced Engineering Materials, 24(3).
  Dickes, Daniel; Öztürk, Beyza; Völkl, Rainer; Galetz, Mathias C. & Glatzel, Uwe
  
• Influence of Water Vapor and Temperature on the Oxide Scale Growth and Alpha-Case Formation in Ti-6Al-4V Alloy. Oxidation of Metals, 97(3-4), 241-260.
  Öztürk, B.; Mengis, L.; Dickes, D.; Glatzel, U. & Galetz, M. C.
  
• Thermal oxidation of TiZrNbHfTa high entropy alloy at 600 °C; Mendeley Data (2022)
  Dickes D. & Öztürk B.
  
• Oxide layer and diffusion zone formation during oxidation of Ti6Al4V and TiZrNbHfTa and their influence on tribological properties; Berichte aus der Materialwissenschaft; Shaker, Düren, (2023) ISBN:9783844092936. Dissertation
  Dickes, D.
  
• Surface hardening of TiZrNbHfTa high entropy alloy via oxidation. Corrosion Science, 217, 111159.
  Dickes, Daniel; Öztürk, Beyza; Baier, Felix; Berger, Pascal; George, Easo P.; Völkl, Rainer; Galetz, Mathias C. & Glatzel, Uwe
  
• Improved tribological behavior of Ti-6Al-4V through a novel zirconium diffusion coating. Surface and Coatings Technology, 487, 130993.
  Öztürk, B.; White, E.M.H.; Dickes, D.; Glatzel, U.; Mengis, L. & Galetz, M.C.
  
• Influence of oxygen ingress on microstructure and phase formation during two-step oxidation surface hardening of TiZrNbHfTa high entropy alloy. Applied Physics Letters, 124(7).
  Dickes, Daniel; Zhao, Yujun; Baier, Felix; Öztürk, Beyza; Völkl, Rainer; Li, Tong; Galetz, Mathias C. & Glatzel, Uwe
  
• Influence of Water Vapor on the Oxidation of Pure Titanium. High Temperature Corrosion of Materials, 101(6), 1341-1351.
  Öztürk, B.; Rudolphi, M.; White, E. M. H.; Dickes, D.; Glatzel, U. & Galetz, M. C.