Untersuchungen zum Mechanismus des Fluor-Mikrolegierungseffektes bei der Oxidation von TiAl
Final Report Abstract
Die Oxidationsfestigkeit von Gamma-TiAl-Werkstoffen kann bei Temperaturen von 800 - 1000°C mit Hilfe des Halogeneffektes entscheidend verbessert werden. Im vorliegenden Projekt wurden die Langzeitstabilität des Halogeneffektes untersucht sowie Verfahren zu ihrer Verbesserung entwickelt. Die Dotierung von Fluor und Chlor erfolgte mittels der Ionenimplantation. Weiterhin wurde Fluor durch ein Tauchverfahren in verdünnter HF appliziert. Als wesentlicher Parameter für die Stabilität des Effektes wurde der F- bzw. CI-Gehalt am Metall/Oxid-Interface (cFmax und cclmax) herausgearbeitet und untersucht. Im Folgenden sind die Ergebnisse kurz zusammengefasst: 1. Der CI-Effekt (Implantation: 1 bis 5 x 10^16 Cl cm^-2 / 35 keV) wirkt nur bei isothermer Oxidation. Eine zukünftige technische Anwendung wird daher eher nicht gesehen. 2. Erstmals wurde das Cl auch an oxidierten Proben mittels SNMS nachgewiesen. Das CI-Tiefenprofil nimmt nach Verlusten beim Aufheizen auf 900°C bzw. 1000°C Werte cclmax von 0.1 bis 0.4 at.-% an. 3. Der F-Effekt zeigt bereits nach Einmalimplantation (2 x 10^17 F cm^-2 / 20 keV) bzw. nach HF-Behandlung eine überraschend hohe Stabilität bei der Langzeitoxidation. Es wurde keine untere Grenze für cFmax erreicht, bei welcher der F-Effekt abbricht. 4. Diese Stabilität konnte bis mindestens 4000h/900°C/isotherm und 2592h/900°C/thermozyklisch beobachtet werden. 5. Bei Oxidation bis mindestens 1000h/1000°C/isotherm und 1000h/1000°C/ thermozyklisch ist der F-Effekt ebenfalls stabil. 6. Der Parameter CFmax nimmt für Einmalimplantation bzw. HF-Behandlung Werte im Bereich von 0.3 -1.3 at.-% an. 7. Die Rekonditionierung mittels Implantation durch die geschlossenen Al2O3-Schicht ist prinzipiell machbar. Sie erfordert aber einen hohen Aufwand. 8. Als erfolgversprechend und leicht realisierbar für anspruchsvolle Anwendungen erweist sich das neue Konzept der Doppelimplantation. Dabei erreicht man Werte für die asymptotische Konzentration von 1.2 bis 3.4 at.-% und ein signifikant langsameres Wachstum der Oxidschicht. 9. Der Diffusionskoeffizient für F in TiAl bei 900°C wurde erstmals bestimmt.
Publications
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The Quantitative Role of Surface Doped Fluorine for the Improvement of Oxidation Resistance of TiAl in Air. Materials Science Forum 461-464 (2004) 505
Hans-Eberhard Zschau, Michael Schütze, Horst Baumann, Klaus Bethge
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Application of Ion Beam Analysis for the Control of the Improvement of the Oxidation Resistance of TiAl at 900°C in Air by Fluorine Ion Implantation and HF-Treatment. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, B 240 (2005) 137-141
H.-E. Zschau, M. Schütze, H. Baumann and K. Bethge
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The time behaviour of surface applied fluorine inducing the formation of an alumina scale on γ-TiAl during oxidation at 900°C in air. Intermetallics, 14 (2006), 1136-1142
H.-E. Zschau, M. Schütze, H. Baumann and K. Bethge
