Texturentwicklung bei der Hochtemperatur-Verformung von neuartigen Niob-reichen Gamma-TiAl-Legierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand der Untersuchungen in dem Projekt sind TNB-Legierungen, hoch Niob haltige y- TiAl-Basislegierungen. In ihnen sieht man das Potenzial, bis zu Anwendungstemperaturen von 800°C die spezifisch zweimal so schweren Nickel-Basissuperlegierungen in Schaufeln von Flugturbinen, in Turbo laderrädern von Automotoren oder in Gas leitblechen zu ersetzen. Neben dem Feinguss sind Strangpressen, Schmieden und Walzen bei hohen Temperaturen die notwendigen Prozessschritte bei der Herstellung. Die Ziele des Projekts sind Untersuchungen der Texturentwicklungen bei zwei Arten der Hochtemperturverformung, beim isothermen Stauchen und beim Walzen. Erwartet werden hier Rückschlüsse auf die Verformungsmechanismen und wie diese durch Niob und durch Kohlenstoffzugaben beeinflusst werden. Ein praxisbezogenes Ergebnis für die Umformprozesse ist, dass dabei auch gelernt wird, Texturen gezielt einzustellen und zu vermeiden, dass sie zu mechanischen Anisotropien in dem umgeformten Material führen könnten. Alle untersuchten Legierungen weisen einen Aluminium-Gehalt von 45at% auf. Der Niob- Gehalt betrug 5at%, 7,5at% und 10at%. Zu Vergleichszwecken, wurde auch das binäre Ti- 45at%Al untersucht. Der Einfluss von Kohlenstoffzulegierungen wurde mit 0,25at%C und 0,5at%C an der 7,5Nb-Legierung, sowie mit 0,5at%C an der 5Nb-Legierung untersucht. Die Herstellung der Legierungspulver in der PIGA bei GKSS und die Charakterisierung der Legierungen als Pulver und als heiß isostatisch verpresstes Pulvermaterial sind in dem Bericht zum (Teil)Projekt dargestellt. Schmelzmetallurgisch erhielte man in y-TiAl- Basislegierungen durch die peritektische Erstarrung verbunden mit gerichtetem dendritischen Wachstum der hexagonalen a-Phase ein sehr grobes Gefüge mit einer sehr scharfen Gusstextur und mit starken Mikroseigerungen in den interdendritischen Bereichen. Dies macht es erforderlich, der eigentlichen formgebenden Umformung, wie Gesenkschmieden oder Walzen, eine thermomechanische Behandlung - meist durch Strangpressen - zur Zerstörung dieses Gefuges vorzuschalten. Bei der Herstellung der Legierungen auf dem pulvermetallurgischen Weg werden diese Schwierigkeiten vermieden und man erhält sehr feinkörnige, extrem homogene und vor allem nahezu texturlose Ausgangsmaterialien - ideal für die Untersuchung der Texturentwicklung bei Hochtemperaturverformung aber auch für die Bestimmung der Festigkeiten und deren Abhängigkeiten vom Nb- und C-Gehalt. Die isothermen Stauchversuche ergaben nur eine geringe Festigkeitssteigerung durch Niob, jedoch eine deutliche durch Kohlenstoff, obwohl er nur gelöst und nicht in Carbid- Ausschei düngen vorliegt. Die maximalen Druckspannungen liegen im Bereich des "powerlaw breakdowns". Ihre Analyse ergibt sehr hohe Aktivierungsenergien um 4,35eV. Ti-45AllONb zeigt bedingt durch die vorhandene ß-Phase geringere maximale Spannungen, jedoch noch höhere Aktivierungsenergien. Oberhalb 900°C wird die Verformung durch Dynamische Rekristallisation bestimmt. Die Spannungen reduzieren sich bei 1100°C fast auf die Hälfte der maximalen Spannungen. Dieses Verhalten macht die Umformung empfindlich gegen Temperaturschwankungen und erklärt das sehr schmale Prozessfenster bei nicht isothermen Schmieden. Die Texturen sind nur schwach vom Niobgehalt abhängig. Bis 900°C werden in der y-Phase Verformungskomponenten in der Textur beobachtet, die außer mechanischer Zwillingsbildung auch die Gleitung von Superversetzungen erfordert. Bei höheren Temperaturen zeigen sich die für y-TiAl typischen Texturen der Dynamischen Rekristallisation. Die 0.1- Phase zeigt unabhängig von der Temperatur immer die gleiche Fasertextur und die ß-Phase eine krz-typische (lll)-Fasertextur. Wir schließen daraus, dass die Verformungsmechanismen in den Phasen unabhängig voneinander sind. Nach 800°C-Verformung wird in allen Legierungen die co-Phase beobachtet, deren Einfluss auf die Festigkeit und Kriechfestigkeit der Legierungen dringend geklärt werden muss, da sie auch unter Einsatzbedingungen des Materials auftreten würde. Bedingt durch das sehr schmale Prozessfenster lassen sich TNB-Legierungen nur nahe der cc- Transuslemperatur - also mit hohen ct-Phasenanteil - walzen. Entsprechend werden die Texturen durch die Verformung der a-Phase dominiert. Es bildet sich immer eine unabhängige Basallage aus, die man ähnlich auch in reinen hexagonalen Metallen findet. Ihre Stärke nimmt mit der Stichzahl zu und hängt stark von der Stichabnahme ab. Die zweite Lage ist eine verbreiterte Transversallage, die über die Blackburn-Beziehung mit der Messinglage2 und der Gosslage2 in der y-Phase korreliert ist, ohne dass eine Phasentransformation stattfindet. Diese Lagen sind besonders stark in Ti-45Al-10Nb ausgeprägt. Durch thermische Nachbehandlung verringert sich die Stärke der Transversallage in der a-Phase und die der Messinglage2 sowie Gosslage2. Nach Walzen mit vielen kleinen Stichabnahmen und ständigem Rückwärmen erscheint die modifizierte Würfellage. Aus unseren Ergebnissen lässt sich ein optimiertes Walzen ableiten, das die Texturen minimiert und damit hilft, mechanische Anisotropien zu vermeiden. Die TNB-Legierungen stehen an der Schwelle zur Anwendung als Kompressorschaufeln. Noch größere Schaufeln in der Niederdruckturbine sind in der Diskussion. Die Schaufeln werden auf der üblichen schmelzmetallurgischen Route mit thermomechamscher Behandlung hergestellt: Abguss, Strangpressen, endformnahes, isothermes Schmieden und ECM. Beim Schmieden können unsere Ergebnisse dazu beitragen, den Schmiedeprozess zu optimieren, besonders hinsichtlich der Texturen, um mechanische Anisotropien zu vermeiden. Dies trifft auch auf die Herstellung von Blechen zu, jedoch gibt es hier zurzeit keinen Produzenten für TiAl-Bleche. Künftige Arbeiten müssen sich mit der Frage der Gefuge- und Phasenstabilität der TNBLegierungen befassen, wenn sie bei ihrem Einsatz lange Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Besonders die Bildung der co-Phase und ihr Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften gilt es zu untersuchen, um festzustellen ob ihre Entstehung einen schädigenden oder, was auch denkbar ist, einen nützlichen Einfluss hat. Auch die Rolle des Kohlenstoffs bedarf der Klärung, der die Bildung der co-Phase zumindest reduzieren kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A. Stark, A. Bartels, F.-P. Schimansky, H. Clemens: "Texture Formation in High Niobium Containing TiAl Alloys", in Advanced Intermetallic-Based Alloys, eds. J. Wiezorek, C.L. Fu, M. Takeyama; D. Morris, H. Clemens; MRS 980, MRS, Warrendale, PA, USA (2007) 359- 370.
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A. Stark, A. Bartels, F.-P. Schimansky, R. Gerling, H. Clemens: "Influence of C andNb Concentration on the High Temperature Deformation Behaviour of Nb-rich Gamma- TiAl Alloys", in Ti2007 Science and Technology, eds. M. Niinomi, S. Akiyama, M. Ikeda, M. Hagiwara, K. Maruyama; Japan Institute of Metals (2007) 685-688
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A. Stark, A. Bartels, R. Gerling, F.-P. Schimansky, H. Clemens: "Microstructure and Texture Formation during Hot Rolling of Niobium-Rich Gamma TiAl Alloys with Different Carbon Contents", Adv. Eng. Mater. 8, No. 11 (2006) 1087 - 1095.
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H. F. Chladil, H. Clemens, M. Takeyama, R. Gerling, E. Kozeschnik, S. Kremmer: "On the Influence of Nb on the Transition Temperatures of Titanium Aluminides", in Advanced Intermetallic-Based Alloys, eds. J. Wiezorek, C.L. Fu, M. Takeyama; D. Morris, H. Clemens; MRS 980, MRS, Warrendale, PA, USA (2007) .
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H.F. Chladil, H. Clemens, G.A. Zickler, M. Takeyama, E. Kozeschnik, A. Bartels, T, Buslaps, R. Gerling, S. Kremmer, L. Yeoh, K.D. Liss: "Experimental Studies and Thermodynamic Simulation of Phase Transformations in High Nb-Containing Gamma- TiAl Alloys", Int. Mat. Res. 98 (2007) 11, 1131 - 1137.
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L. Cha, C. Scheu, H. Clemens, H.F. Chladil, G. Dehm. R. Gerling, A. Bartels: "Nanometer-Scaled Lamellar Microstructures in Ti 45A1 7.5Nb (0; 0.5)C Alloys and its Influence on Hardness", Intermetallics 16 (2008) 868-875.
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L.A. Yeoh, K.D. Liss, A. Bartels, H. Chladil, M. Avdeev, H. Clemens, R. Gerling, T. Buslaps: "In-Situ High Energy X-Ray Diffraction Study and Quantitative Phase Analysis in the Alpha + Gamma Phase Field of Titanium Aluminides", Scripta Materialia 57 (2007) 1145 -1148.
