Eigenschaftscharakterisierung der Grundkomponenten Faser und Matrix des Titanmatrix-Verbundwerkstoffsystems SiC/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo als Basis für Werkstoffmodelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Vorhaben zielte auf die wissenschaftliche Ergründung des mechanischen Verhaltens der Einzelkomponenten des Verbundwerkstoffsystems SiC-Faser/Titanmatrix-Legierung. Insbesondere der Matrixwerkstoff wurde in dem mikrostrukturellen Zustand untersucht, in dem er auch im fertigen Verbundwerkstoff vorliegt. Hierzu wurden Flachproben aus gesputterter Titanlegierung gefertigt und geprüft. Zur Charakterisierung der Fasern waren Ermüdungsversuche an Einzelfasern unter Berücksichtigung der statistischen Festigkeitsverteilung vorgesehen. Die Versuche wurden auf einer innerhalb des Vorhabens aufgebauten Prüfvorrichtung durchgeführt und mit statistischen Methoden ausgewertet. Diese bisher nicht verfügbare Datenbasis dient als Ausgangspunkt für die Modellbildung zur Vorhersage und Optimierung der Eigenschaften des Verbundwerkstoffes. Das bearbeitete Vorhaben kann daher grundsätzlich in drei Arbeitsbereiche gegliedert werden: - Untersuchung der Titanmatrix - Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit von SiC-Monofilamenten - Anwendung der Erkenntnisse in einem Werkstoffmodell Für die Anwendung im Verbundwerkstoff wesentlich ist der durch Magnetronsputtern abgeschiedene und durch heiß-isostatisches Pressen verdichtete Zustand der Titanlegierung Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Dieser hat sich als sehr feinkörnig erwiesen, während die chemische Zusammensetzung und die Anteile von α- und β-Phase mit dem des gewalzten Materials identisch sind. Dieser Unterschied im Gefüge führt zu einer signifikanten Beeinflussung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens. Beim gesputterten Werkstoff ist zwar die Fließgrenze höher als beim Ausgangsmaterial, jedoch tritt danach ein deutliches Entfestigungsverhalten auf während die Referenzproben sich leicht verfestigen. Der Kriechwiderstand des feinkörnigeren Gefüges ist gegenüber dem grobkörnigen deutlich reduziert. Die ursprünglich vorgesehenen Ermüdungsversuche an der gesputterten Titanlegierung konnten aufgrund von Schwierigkeiten bei der Probenherstellung nicht durchgeführt werden. Der schichtweise aufgebrachte Werkstoff zeigte trotz des heiß-isostatischen Pressens während der Ermüdungsbelastung deutliche Delaminationen, die belastbare Ergebnisse verhinderten. Zur Ermüdungsprüfung der Fasern wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, die statistisch ausgewertet wurden. Die Fasern zeigten einen Dauerfestigkeitsbereich, der nur sehr knapp unterhalb der statischen Festigkeit liegt. Wie auch bei der statischen Festigkeit, zeigt die Dauerfestigkeit eine große Streuung, die mit statistischen Methoden auswertbar ist, so dass eine Erlebenswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit der Spannung angegebenen werden kann. Aufgrund der aus den Versuchen gewonnenen Erkenntnisse wurde das vorhandene Werkstoffmodell zur Vorhersage der Wöhlerkurve des Titanmatrix-Verbundwerkstoffes modifiziert. Die ursprüngliche Hypothese, dass die Ungenauigkeit des Werkstoffmodells durch die Abweichungen der Komponenteneigenschaften begründet ist, konnte nicht bestätigt werden. Vielmehr liefern die zunächst sehr deutlich erscheinenden Abweichungen in den Matrixeigenschaften letztlich keine signifikante Änderung im Verlauf der modellierten Wöhlerkurve. Dies ist möglicherweise auch durch die noch unzureichenden Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens der gesputterten Titanmatrix begründet. Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse sind von allgemeinem Interesse für die MMC- und Schichtenmodellierung. So können auch andere als das hier verwendete Werkstoffmodell mit den gewonnenen Daten bedient werden. Da das Verbundwerkstoffsystem SiC-Faser/Ti-Matrix hergestellt über die Route der matrixbeschichteten Fasern allgemein als sehr leistungsfähig gilt, werden künftige Entwicklungen darauf abzielen, die Effizienz der Fertigungsverfahren zu steigern. Aber auch alternative Fertigungsverfahren für Titanmatrix-Verbundwerkstoffe werden bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes von Titan arbeiten. Bei einigen der Erfolg versprechenden Verfahren ist zu erwarten, dass sich dem Magnetronsputter-Verfahren ähnliche Matrixgefüge ausbilden. Daher können die hier gewonnenen Erkenntnisse auch in die Entwicklung neuer MMCs einfließen. Das entwickelte Verfahren zur Ermüdungsprüfung und -auswertung der SiC-Monofilamente kann ebenfalls für andere Fasertypen und damit auch für künftige Faserentwicklungen eingesetzt werden. Forschungsprojekte, die einen neuen Gesamtansatz zur MMC-Herstellung und neue Fasertypen berücksichtigen sind derzeit in Vorbereitung. Die Ergebnisse dieses Projekts sind Bestandteil der Basis auf der diese neuen Entwicklungen aufbauen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 11th World Conference on Titanium, 3.-7. June 2007, Kyoto, Japan 12 Influence of processing on matrix microstructure and properties of titanium matrix composites Liudmila Chernova, Joachim Hausmann
- Junior Scientist Award auf der Werkstoff-Woche 2004, München, 21. Sept. 2004. Lebensdauer von SiC-Einzelfasern Christina Reinhard und Joachim Hausmann
- Werkstoff-Woche 2004, München, 21.-23. Sept. 2004. Bestimmung der Biegewechselfestigkeit von SiC-Einzelfasern Joachim Hausmann und Christina Reinhard
