Mikrostrukturelle Entwicklung von EBM-gefertigtem Gamma Titanaluminide (TNM-B1)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den vergangenen Jahren ist das Interesse an der additiven Fertigung zur Verarbeitung von intermetallischen Titanaluminiden, die aufgrund ihrer ausgeprägten Sprödigkeit mit konventionellen Verfahren nur schwer herzustellen und zu bearbeiten sind, stetig gewachsen. Das Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen (PBF-EB) hat sich für diese Legierungen als besonders geeignet erwiesen, da die hohen Verarbeitungstemperaturen einer Rissbildung im Bauteil vorbeugen und die Vakuumatmosphäre eine Oxidation verhindert. Eine dieser Legierungen, die ursprünglich für die schmelzmetallurgische Herstellung von Flugzeugtriebwerkskomponenten mit erhöhter Oxidationsbeständigkeit entwickelt wurde, ist die vollständig über die β-Phase erstarrende Legierung Ti-43,5Al-4Nb-1Mo-0,1B (in at.%), auch bekannt als TNM-B1. Ziel dieses Projekts war es, ein umfängliches Verständnis für die Mikrostruktur- und Eigenspannungsentwicklung in TNM-B1 entlang der gesamten PBF-EB-Prozessroute zu entwickeln, wobei der Einfluss der Prozessparameter und der nachfolgenden Wärmebehandlung im Fokus standen. Dabei sollten folgende wissenschaftliche Fragestellungen beantwortet werden: Wie wirken sich die PBF-EB-Prozessparameter auf die Gefüge- und Phasenentwicklung und die chemische Zusammensetzung von TNM-B1 aus? Inwiefern wirken sich durch den Prozess hervorgerufene Inhomogenitäten auf die Eigenspannungen und die Gefügeausbildung infolge einer Wärmebehandlung aus? Wie ist der Einfluss der einzelnen Prozessschritte auf die resultierende Mikrostruktur zu bewerten und welche Anpassungen müssen ggf. vorgenommen werden, um diese vergleichbar zum Ergebnis konventioneller Herstellungsrouten einzustellen? Es konnte gezeigt werden, dass eine höhere Energiedichte im Prozess zwar mit einer verringerten Defektanzahl und -größe verbunden ist, andererseits aber auch zu einem stärkeren Aluminiumverlust durch Abdampfung führt und damit die Anteile und die Morphologie der α2-, der βO- und der γ-Phase im as-built-Gefüge beeinflusst. Verschiedene zweistufige Wärmebehandlungen, bestehend aus einem Lösungsglühen und einem anschließenden Auslagern, wurden hinsichtlich ihres Einflusses auf den Eigenspannungszustand und die Gefügeentwicklung untersucht. In Bezug auf die Eigenspannungen wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den betrachteten Zuständen festgestellt. Durch die geeignete Wahl der Lösungsglühtemperatur konnten sowohl vollständig lamellare (FL) als auch nahezu lamellare Mikrostrukturen mit Anteilen globularer γ-Körner (NLγ) eingestellt werden, die bereits an konventionell verarbeitetem TNM-B1 beschrieben wurden. Allerdings wurden Inhomogenitäten im Gefüge aufgrund einer ungleichmäßigen Aluminiumabdampfung festgestellt. Diese Inhomogenitäten konnten weder durch eine Verlängerung der Glühzeit noch durch ein zusätzliches Homogenisierungsglühen beseitigt werden. Daraus kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass es für die resultierenden Werkstoffeigenschaften von hoher Bedeutung ist, bereits im PBF-EB-Prozess eine möglichst homogene Aluminiumverteilung zu erzielen. Diese Annahme wurde durch mit der Software Thermo-Calc durchgeführte thermodynamische Berechnungen der zu erwartenden Phasenanteile während des Lösungsglühens bestätigt, da sich bereits bei geringen Schwankungen im Aluminiumgehalt unterschiedliche Mikrostrukturtypen ergeben können. Über eine gezielte Steuerung der PBF-EB-Parameter bei insgesamt konstanter Energiedichte konnten sowohl im as-built-Zustand als auch nach der Wärmebehandlung erfolgreich homogene Gefüge eingestellt werden, wobei der Beam Current als maßgeblichster Parameter identifiziert werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Additive Manufacturing of Gamma Titanium Aluminides for High Temperature Applications. 3. Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung. ISBN: 978-3-88355-423-2.
López, E.; Moritz, J.; Teschke, M.; Marquardt, A.; Hendl, J.; Kotzem, D.; Stepien, L.; Brückner, F.; Walther, F. & Leyens, C.
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Erzeugung gradierter Mikrostrukturen durch Prozessparametervariation beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen (PBF-EB/M) der Titanaluminidlegierung TNM-B1. 3. Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung. ISBN: 978-3-88355-423-2.
Moritz, J.; Teschke, M.; Marquardt, A.; Hendl, J.; Stepien, L.; López, E.; Brückner, F.; Walther, F. & Leyens, C.
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Additive manufacturing of γtitanium aluminides - challenges, solutions and future prospects. Intermetallics 2021 (Bad Staffelstein - 8. Oktober 2021)
Leyens, C.; Moritz, J.; Marquardt, A.; Teschke, M. & Walther, F.
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Additive manufacturing of γtitanium aluminides - challenges, solutions and future prospects. Proceedings Intermetallics 2021, Hrsg.: M. Heilmaier, M. Krüger, S. Mayer, M. Palm, F. Stein, ISBN 978-3-948023-17- 1 (2021) 43.
Leyens, C.; Moritz, J.; Marquardt, A.; Teschke, M. & Walther, F.
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Effect of Processing Parameters on the Defect Formation and the Aluminum Content of a β-solidifying Titanium Aluminide Alloy Generated by Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF). European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes – Euromat 2021 (Online - 15. September 2021)
Moritz, J.; Teschke, M.; Marquardt, A.; Hendl, J.; Kotzem, D.; Stepien, L.; López, E.; Brückner, F.; Walther, F. & Leyens, C.
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Additive Manufacturing of Gamma Titanium Aluminides for High Temperature Applications. 3. Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung (Dresden – 11. Mai 2022)
López, E.; Moritz, J.; Teschke, M.; Marquardt, A.; Hendl, J.; Kotzem, D.; Stepien, L.; Brückner, F.; Walther, F. & Leyens, C.
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Effect of Hot Isostatic Pressing on Microstructure and Mechanical Properties of a β-solidifying Titanium Aluminide Alloy Manufactured via Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF). 1st International Conference on Advanced Manufacturing for Air, Space and Land Transportation (Online - 7. März 2022)
Moritz, J.; Teschke, M.; Marquardt, A.; Hendl, J.; Stepien, L.; López, E.; Brückner, F.; Walther, F. & Leyens, C.
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Erzeugung gradierter Mikrostrukturen durch Prozessparametervariation beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen (PBF-EB/M) der Titanaluminidlegierung TNM-B1. 3. Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung (Dresden – 12. Mai 2022)
Moritz, J.; Teschke, M.; Marquardt, A.; Hendl, J.; Stepien, L.; López, E.; Brückner, F.; Walther, F. & Leyens, C.
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Influence of Process Parameter Variation at Constant Energy Density on the Microstructure of the Titanium Aluminide Alloy TNM-B1 Manufactured via Electron Beam Powder Bed Fusion (PBF-EB/M). (Beitrag akzeptiert für Materials Science and Engineering Congress (MSE) – 27. - 29. September 2022)
Moritz, J.; Teschke, M.; Marquardt, A.; Hendl, J.; Stepien, L.; López, E.; Brückner, F.; Walther, F. & Leyens, C.
