Versprödung von gamma-Titanaluminiden durch Hochtemperaturoxidation: Mechanismen und Maßnahmen zur Vermeidung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass das Beschichtungskonzept mit anschließender Fluorierung zur erheblichen Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitigem Erhalt der mechanischen Eigenschaften auf unterschiedliche TiAl-basierte Legierungen übertragen werden kann, was an der Ti-48Al-2Cr-2Nb Legierung gezeigt wurde. Für eine praktische Anwendung dieser Oberflächenmodifikationen für Triebwerkskomponenten ist eine exakte Einstellung des anfänglichen Al-Gehalts in Kombination mit der Fluorierung ausschlaggebend, um einen optimalen Kompromiss zwischen mechanischen Eigenschaften und Oxidationsverhalten zu erlangen. Nach weiterer Optimierung besteht ein Potenzial für die weitere wirtschaftliche Vermarktung. Die Gefügeumwandlungen der βo– in die α2–Phase konnte detailliert auf den beiden TiAl-Legierungen bestimmt werden. Es handelt sich bei der sauerstoffinduzierten Versprödung von TiAl-Legierung generell um ein Randzonenphänomen, wobei die Stickstoffanreicherung eine untergeordnete Rolle spielt. Die Gefügeveränderungen in der Randzone treten bei Legierungen ohne βo-Phase nicht auf, wobei auch an der Ti-48Al-2Cr-2Nb Legierung die Sauerstoffversprödung nachweisbar war. Durch Optimierungen beim Pulverpack-Verfahren und beim Magnetron-Sputtern konnte die Al-Verarmung gesenkt werden und verbesserte Schichten mit einphasiger γ-TiAl-Struktur erzielt werden. Der positive F-Effekt ist letztlich von der Beschichtung, insbesondere dem Al- Gehalt, abhängig. Die mittels Magnetronsputtern abgeschiedenen Schichten zeigten eine bessere Oxidationsbeständigkeit als die mittels Pulverpackverfahren abgeschiedenen Schichten. Dies ist vermutlich auf einen anfänglich höheren Al-Gehalt zurückzuführen, der die selektive Ausbildung von Al2O3 auf der Oberfläche bewirkt. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems ist die Oxidschichtbildung mit einem geringen Ti-Gehalt wie es auf den mit dem Pulverpackverfahren beschichteten TiAl Legierungen zu bevorzugen. Die mechanischen Eigenschaften der beschichteten Proben sind nach Langzeitauslagerungen bis zu 1000 h bei 900°C für fertig optimierte und prozessierte Schichtsystem mindestens gleich wie bei den unbeschichteten Proben bezüglich Bruchdehnung und Bruchspannung, teilweise sind die Werte sogar höher. Die Al-Verarmung der Legierungsoberfläche und somit die Anfälligkeit für die sauerstoffinduzierte Versprödung durch die Bildung der Ti3Al α2-Phase und Ti5Al3O2 Z-Phase kann gemindert und somit die Bruchspannung, sowie die Biegewechselfestigkeit erhöht werden. Für eine quantitative Analyse des Sauerstoffgehalts wurde Messungen mittels Mikrosonde, GD-OES und WDS durchgeführt. Keines der Analyseverfahren konnte eindeutige und verlässliche quantitative Ergebnisse zum O-Gehalt im Substratmaterial nach Hochtemperaturauslagerungen und hinsichtlich der Verringerung der O-Eindiffusion durch das Schutzschichtsystem liefern. Trotzdem wurden bei zyklischer Hochtemperaturauslagerung mit dem Gesamtsystem incl. WDS Lebensdauern bis über 1000 Zyklen erzielt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Oxidation behavior of protective Ti-Al-Cr based coatings applied on the γ-TiAl alloys Ti-48-2-2 and TNM-B1. Surface and Coatings Technology, 2018, 349. Jg., S. 347-356
N. Laska, R. Braun, S. Knittel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.05.067) - Oxidation behaviour of an intermetallic Ti–Al–Cr–Zr bond coat on a γ–TiAl based TNB alloy with 7YSZ thermal barrier coating. Materials at High Temperatures, 2018, 35. Jg., Nr. 1-3, S. 187-194
N. Laska, P. Watermeyer, L. Koliotassis, R. Braun
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/09603409.2017.1404691) - The oxidation behaviour of aluminium-rich coatings on the TiAl alloy TNM-B1. Materials at High Temperatures, 2018, 35. Jg., Nr. 1-3, S. 204-216
A.S. Ulrich, N. Laska, A. Straubel, C. Leyens, R. Braun, M.C. Galetz, M. Schütze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/09603409.2017.1389097) - Oxygen induced microstructural changes in the subsurface zone of the TiAl alloy TNM after exposure at high temperatures and its effect on the mechanical properties. Intermetallics, Vol. 123, 2020
M.C. Galetz, A.S. Ulrich, C. Oskay, D. Fähsing, N. Laska, U. Schulz, M. Schütze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106830) - Oxidation behaviour and related microstructural changes of two β0–phase containing TiAl alloys between 600 °C and 900 °C. Corrosion Science 178 (2021), 109085
L. Mengis, A.S. Ulrich, P. Watermeyer, C.H. Liebscher, M.C. Galetz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.109085)
