TIALMET - Modifikationen der Oberfläche von gamma-TiAl und deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften und das Hochtemperaturverhalten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass durch die Abscheidung von Schutzschichten mittels unterschiedlicher PVD und CVD basierten Verfahren eine Verbesserung des Oxidationsverhaltens bei zyklischer Auslagerung bei 900°C möglich ist. Die kinetischen Wachstumskonstante der TiAl48-2-2 Legierung konnte durch die unterschiedlichen Schutzschichten jeweils um mehrere Größenordnungen reduziert werden. Insbesondere die Al-Si basierte Schichten bieten hier aufgrund ihrer großen Spannbreite hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung einen vielversprechenden Ansatz. Zudem sind die verwendeten Elemente von reinem Si und Al im Sinne der Nachhaltigkeit im Vergleich zu Schichten mit üblicherweise Titan, Chrom und insbesondere Seltenen Erden zu bevorzugen. Des Weiteren führt eine Voroxidation in reinem O2 zusätzlich zu einer Verbesserung des Oxidationsverhalten des unbeschichteten und beschichteten Grundwerkstoffs und letztlich zu einer Steigerung der davon abhängigen Lebensdauer. Auch TiAl48-2-2 Proben mit einer als Haftermittlerschicht fungierenden Oxidationsschutzschicht basierend auf Al-Si oder Ti-Al-Cr-Y(-Si) und einer zusätzlich abgeschieden keramischen WDS basierend auf 7YSZ zeigten Lebensdauern von über 1000 1h-Zyklen bei 900°C. Dies rückt insbesondere durch die neuen Möglichkeiten der Additiven Fertigungsverfahren und die dadurch mögliche Einbringung von Kühlkanälen in Turbinenschaufeln in den Fokus zukünftiger Anwendungen von Titanaluminiden in Triebwerken. Hinsichtlich des Ermüdungsverhaltens konnte gezeigt werden, dass die Abscheidung von Oxidationsschutzschichten aufgrund ihrer sehr spröden Eigenschaften die Lebensdauern im Vergleich zum unbeschichteten Grundmaterial vor allem bei hohen Spannungsamplituden reduziert. Bei geringeren Spannungsamplituden ist der negative Einfluss von Beschichtungen auf die Lebensdauer deutlich geringer. Auf den Spröd-Duktilen Übergang des Substratmaterials zeigten die Beschichtungen sowie auch die Voroxidationen keinen Einfluss. Das Einbringen von Eigenspannungen in die Materialoberfläche der TiAl48-2-2 Legierung konnte mittels Kugelstrahlen erfolgreich gezeigt werden. Dabei steigerte sich auch die Oberflächenhärte signifikant, welche auch nach anschließender Hochtemperaturauslagerung erhalten blieb. Eine Verbesserung des Ermüdungsverhaltens konnte letztlich durch das Einbringen von Eigenspannung nicht beobachtet werden. In weiteren Ermüdungsversuchen konnte gezeigt werden, dass sich die Lebensdauer mit abnehmender Versuchsfrequenz vermindert. Dies verdeutlicht den großen Einfluss der zeit- und damit frequenzabhängigen Oxidationsschädigung auf die Ermüdungslebensdauer. Die im Vorhaben erzielten Ergebnisse sind nicht direkt wirtschaftlich verwertbar aber durchaus anwendungsrelevant, da die ermittelte Datenbasis hierfür zu gering ist. Im Projekt konnte jedoch gezeigt werden, dass die neuartigen Al-Si-basierten Schutzschichten das Oxidationsverhalten des untersuchten Grundwerkstoffs TiAl48-2-2 deutlich verbessern, wobei die Ermüdungslebensdauer zumindest im anwendungsnahen Bereich geringer Lasten nur wenig vermindert wird. Weiterhin sind die Ergebnisse zum BDTT und zum Kugelstrahlen der unbeschichteten Legierungen nutzbar für die Anwendung von unbeschichtetem TiAl. Mit weiteren experimentellen Daten ist eine wirtschaftliche Verwertung der Erkenntnisse durchaus denkbar, allerdings bisher nicht konkret geplant.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Effect of pre-oxidation on cyclic oxidation resistance of γ-TiAl at 900°C, Corrosion Science 177, 2020
R. Swadźba, N. Laska, P.-P. Bauer, H.J.C.S. Krztoń
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Microstructure and cyclic oxidation resistance of Si-aluminide coatings on γ-TiAl at 850 °C, Surface and Coatings Technology 403, 2020
R. Swadźba, L. Swadźba, B. Mendala, P.-P. Bauer, N. Laska, U. Schulz
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Increasing the oxidation resistance of γ-TiAl by applying a magnetron sputtered aluminum and silicon based coating, 133, 2021
P.-P. Bauer, N. Laska, R.J.I. Swadźba
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Influence of Shot Peening on the Isothermal Fatigue Behavior of the Gamma Titanium Aluminide Ti-48Al-2Cr-2Nb at 750°C. Metals, 11(7), 2021
Breuner, C., Guth, S., Gall, E., Swadźba, R., Gibmeier, J., & Heilmaier, M.
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Microstructure formation and high temperature oxidation behavior of Ti-Al-Cr-Y-Si coatings on TiAl, Applied Surface Science 562, 2021
R. Swadźba, P.-P. Bauer
