Wasserstoff als temporäres Legierungselement zur Einstellung spezifischer Gefügegradienten in der (Alpha+Beta)-Titanlegierung Ti-6Al-4V

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470236376

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Technische Bauteile sind wachsenden Anforderungen bezüglich ihrer Lebensdauer und Haltbarkeit ausgesetzt. Daher ist es erforderlich, thermochemische Prozesse zu entwickeln, um die Gefügeeinstellung gezielt vornehmen zu können. Titanlegierungen (Ti-Legierungen) erlauben eine Wärmebehandlung unter temporärer Wasserstoffbeladung (THT, engl. Thermohydrogen Treatment). Das Forschungsvorhaben zielte darauf ab, das lokale Gefüge der kommerziellen Ti- Legierung Ti–6Al–4V mithilfe von THT anzupassen, indem die Verteilung von festigkeitssteigernden Ausscheidungen und die Korngröße in Abhängigkeit vom Abstand zur Oberfläche variiert wird (Gefügegradient). Der Gefügegradient soll dabei eine Verbesserung der Ermüdungseigenschaften des Materials zur Folge haben. Zur THT-Parameterauswahl wurden der Wasserstoffdiffusionskoeffizient und die Wasserstofflöslichkeit als Werkstoffkennwerte bestimmt. Darüber hinaus erfolgte eine Evaluation der THT-Parameter, indem der Ermüdungsrissausbreitungswiderstand und die Bruchzähigkeit in Abhängigkeit von der Lösungsglühbehandlung ermittelt wurden. Zudem wurden verschiedene Gefügegradienten nach Wasserstoffbeladung und -entgasung mittels numerisch simulierter Wasserstoffkonzentrationsprofile, Härteverläufen, metallographischen Untersuchungen und Phasenanalyse mit Röntgendiffraktometrie und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Die Ergebnisse belegen, dass der gewünschte Gefügegradient durch Wasserstoffbeladung bei 500°C und -entgasung bei 750°C sowie einer finalen Auslagerung bei 550°C eingestellt werden kann. Eine mechanismenbasierte Modellierung der Thermodynamik und Kinetik der Ti–H-Wechselwirkung bildet die experimentell erzeugten Gefügegradienten in guter Näherung ab und liefert die Grundlage für eine weitere Optimierung des Verfahrens. Die Bewertung der resultierenden mechanischen Eigenschaften erfolgte durch Versuche an einer Miniaturprüfmaschine, die eine in situ Beobachtung der Ermüdungsrissentstehung und -ausbreitung mit einem konfokalen Lasermikroskop ermöglicht, durch Wechselverformungsversuche zur Bestimmung der Ermüdungslebensdauer in Abhängigkeit von der Spannungsamplitude sowie durch Zugversuche. Die Untersuchung zeigen, dass die THT-induzierte Gefügegradierung die Ermüdungslebensdauer konventionell und additiv gefertigter Proben im Vergleich zu einem homogenen Referenzgefüge im Zeitfestigkeitsbereich um den Faktor 3 – 6 verlängert. Eine Verbesserung wird auch an einem bauteilnahen Demonstrator in Form eines vor THT vorhandenen Härtegradienten, der durch THT um 4 – 5 % erhöht wird, in Aussicht gestellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Kennwertermittlung zur Wasserstoffaufnahme- und - abgabe von Titanlegierungen als Basis für die Gestaltung eines THT-Prozesses, In: Christ, H.-J. (Hrsg.), Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand, Tagungsband zur Tagung Werkstoffprüfung 2019, INVENTUM GmbH, Sankt Augustin, 2019, S. 257–262.
  Schmidt, C. D. & Christ, H.-J.
  
• Generation of Microstructural Gradients for Improved Mechanical Properties via Thermo-Hydrogen Treatment of the Metastable Beta Titanium Alloys Beta CTM and Ti 10V-2Fe-3Al. MATEC Web of Conferences, 321, 12017.
  Schmidt, Christopher David; Macin, Vitali; Schmidt, Peter & Christ, Hans-Jürgen
  
• Kennwertermittlung zur Wasserstoffaufnahme und - abgabe von Titanlegierungen als Basis für die Gestaltung eines THT-Prozesses (Teil 2), In: J. B. Langer und M. Wächter (Hrsg.), Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand, Tagungsband zur Werkstoffprüfung 2020, online, VDM, Berlin, 2020, S. 185–190.
  Schmidt, C. D. & Christ, H.-J.
  
• Wasserstoff als temporäres Legierungselement zur Einstellung spezifischer Gefügegradienten in der (Alpha+Beta)- Titanlegierung Ti–6Al–4V, In: Brockmann, S., Krupp, U. (Hrsg.), Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand, Tagungsband zur Werkstoffprüfung 2021 online, Stahlinsitut VDEh, Düsseldorf, 2021, S. 295–300
  Schmidt, C. D., Christ, H.-J. & von Hehl, A.
  
• Ermüdungseigenschaften von thermohydrogen erzeugten Gefügegradienten in Ti–6Al–4V, In: Zimmermann, M. (Hrsg.), Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand, Tagungsband zur Werkstoffprüfung 2022, DGM, Sankt Augustin, Germany, 2022, S. 294–299.
  Schmidt, C. D., Christ, H.-J. & von Hehl, A.
  
• Hydrogen as a Temporary Alloying Element for Establishing Specific Microstructural Gradients in Ti-6Al-4V. Metals, 12(8), 1267.
  Schmidt, Christopher David; Christ, Hans-Jürgen & Von, Hehl Axel
  
• Fatigue properties of microstructural gradients in AM Ti–6Al–4V generated with thermohydrogen treatment, In: Jackson, M. (Hrsg.), Proceedings of the 15th World Conference on Titanium, Chapter 6: C-M-P-Fatigue
  Schmidt, C. D., El-Chaikh, A., Danzig, A., von Hehl, A. & Christ, H.-J.
  
• Feasibility of THT-Induced Microstructure Gradients and Their Effects on Fatigue Properties in Additively Manufactured Cylindrical and in Conventionally Manufactured Tube-Like Ti-6Al-4V Specimens. MDPI AG.
  Schmidt, Christopher David; El-Chaikh, Ali; Danzig, André; Christ, Hans-Jürgen & Von, Hehl Axel
  
• Wasserstoff als temporäres Legierungselement zur Erzeugung spezifischer Gefügegradienten in der (α+β)–Ti-Legierung Ti–6Al–4V, Dissertation, Universität Siegen, In: Christ, H.-J. (Hrsg.), Siegener werkstoffkundliche Berichte, Bd. 34, 2024.
  Schmidt, C. D.