Isothermes und thermomechanisches Ermüdungsverhalten einer intermetallischen Legierung auf Basis des Systems TiAl.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Biermann
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5416977

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Inhalt des Forschungsvorhabens war die Charakterisierung des thermomechanischen und isothermen Verformungs- und Ermüdungsverhaltens der modernen y-TiAl-Legierung TNB- V5. Hierbei sollte neben der experimentellen Charakterisierung unterschiedlicher Gefügezustände auch eine Lebensdauerbeziehung aufgestellt werden. Folgende wesentliche über den bisherigen Stand des Wissens hinausgehende Erkenntnisse wurden dabei gewonnen: Eine Beanspruchung mit der Phasenbeziehung Clockwise-Diamond (CD) bzw. Counter- Clockwise-Diamond führt im Gegensatz zur In-Phase (IP) oder Out-of-Phase- (OP) Beanspruchung nur zu geringen Unterschieden zwischen der Ober- und der Unterspannung. Unter CD- und CCD-Beanspruchung kommt es zu nahezu keinen bzw. im Vergleich zur IP- und OP-Beanspruchung deutlich geringeren Zug- oder Druckmittelspannungen. Des Weiteren unterscheiden sich die Spannungs-Dehnungs-Hysteresekurven unter CD- bzw. CCD- Beanspruchung nur sehr wenig. Die Bruchlastspielzahlen der CD- und CCD-Versuche liegen immer zwischen denen der IP- und OP-Versuche. Für eine Lebensdauervorhersage unter thermomechanischer Beanspruchung sind die Schädigungsparameter PSWT nach Smith, Watson und Topper und PHL nach Haibach und Lehrke gut geeignet, wenn der Versuchs- bzw. Anwendungstemperaturbereich Temperaturen oberhalb des Spröd-Duktil-Überganges (ca. 750°C) beinhaltet. Ist dies der Fall, dann weichen die experimentell ermittelten Lebensdauern im betrachteten Bereich (Bruchlastspielzahl ca. 50 – 3000) maximal um den Faktor ±3 von den vorhergesagten Werten ab. Die Mikrostrukturen Near-Gamma (NG) und Duplex (DP) zeigen unter allen Versuchsbedingungen vergleichbare Ermüdungslebensdauern. Die Mikrostruktur Fully-Lamellar (FL) weist unter gleicher Beanspruchung etwas höhere Lebensdauern auf. Insgesamt ergibt sich jedoch ein überraschend geringer Einfluss des Gefüges auf die Lebensdauern. Beim Vergleich von Versuchen mit feingedrehter Oberfläche (Ra = 0,32 µm) und den Versuchen mit elektropolierter Oberfläche (Ra = 0,19 µm) war kein eindeutiger Einfluss des Oberflächenzustandes auf die Ermüdungslebensdauer unter thermomechanischer Beanspruchung erkennbar. Die Bruchlastspielzahlen der vier Versuche mit feingedrehtem Oberflächenzustand bewegten sich im normalen Streubereich dieser Werkstoffklasse. Die im Rahmen dieses Projektes gewonnenen experimentellen, methodischen und inhaltlichen Erkenntnisse bieten eine sehr gute Grundlage für weitere Arbeiten im Bereich der thermomechanischen Ermüdung. Weiterhin stellen die gewonnenen Ergebnisse eine wertvolle Datenbasis für die Auslegung von thermomechanisch beanspruchten Komponenten im Turbinen- und Motorenbau dar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Thermo-mechanical Fatigue Behaviour of a 3rd Generation y-TiAl Alloy. High Temperature Thermo-Mechanical Fatigue: Testing Methodology, Interpretation of Data and Applications. Berlin, Germany, 22.-23.9.2005
  Roth, M., Biermann, H.
  
• Thermo-mechanical Fatigue Behaviour of the y-TiAl Alloy TNB V5. 3rd Int. Workshop on y-TiAl Technologies, Bamberg, Germany, 29.-31.5.2006
  Roth, M., Biermann, H.
  
• Thermo-mechanical fatigue behaviour of the y-TiAl alloy TNB-V5. Scripta Materialia 54 (2006), 137-141
  Roth, M., Biermann, H.
  
• Thermo-mechanical fatigue behaviour of the y-titanium aluminide TNB-V5 with near-gamma microstructure. Thermec 2006, Vancouver, Canada, 4.-8.7.2006
  Roth, M., Biermann, H.
  
• Thermo-mechanical fatigue behaviour of the gamma-titanium aluminide TNB-V5 with near-gamma microstructure. Materials Science Forum 539-543 (2007), 1559-1564
  Roth, M., Biermann, H.
  
• Thermo-mechanical Fatigue Behaviour of the y-TiAl Alloy TNB V5 with Different Microstructures. EUROMAT 2007, Nürnberg, Germany, 10.-13.9.2007
  Roth, M., Biermann, H.
  
• Thermo-mechanical fatigue behaviour of a modern y-TiAl alloy. International Journal of Fatigue 30 (2008), 352-356
  Roth, M., Biermann, H.
  
• Thermo-mechanical fatigue behavior of the intermetallic gamma-TiAl alloy TNB-V5 with different microstructures. 15th Int. Conf. On the Strength of Materials (ICSMA 15), Dresden, Germany, 14.-18.8.2009
  Roth, M., Biermann, H.