Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von intermetallischen Titanaluminid-Legierungen auf der Basis von Gamma-TiAl durch mechanische Oberflächenverfestigung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurde der Einfluss von Randschichtverfestigungen auf das Ermüdungsverhalten von Titanaluminid-Legierungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass TiAl-Legierungen im Gegensatz zu konventionellen Titanlegierungen bereits durch übliche mechanische Bearbeitung sehr stark an der Oberfläche verfestigt werden können. So wurden durch übliches Drehen der hochfesten TNB-Legierungen Druckeigenspannungen bis zur Dehngrenze und Härtesteigerungen bis zu ~ 40 % an der Oberfläche induziert. Die starke Oberflächenverfestigung führt zu einer deutlichen Verbesserung des Ermüdungsverhaltens bei Raumtemperatur gegenüber dem unverfestigten, elektrolytisch polierten Referenzzustand. Die Ermüdungsrissbildung setzt infolge der Randschichtverfestigung unter der Oberfläche ein. Da jedoch der Oberflächenverfestigungszustand nach spanender Bearbeitung je nach Verfahren und Werkzeugzustand sehr stark variieren kann, ist der positive Effekt einer spanenden Bearbeitung auf das Festigkeitsverhalten bei der Bauteilauslegung nicht nutzbar. Dafür ist jedoch das Kugelstrahlen mit definierten Strahlparametern geeignet, das für die TNB-Legierungen zu Wechselfestigkeitserhöhungen bei RT um 10-20 % und Lebensdauerverbesserungen um 2-3 Größenordnungen gegenüber dem elektrolytisch polierten Zustand geführt hat. Ein Kugelstrahlen von bearbeiteten, bereits verfestigten Oberflächen mit optimalen Prozessparametern führt zu keiner Reduzierung der Ermüdungsfestigkeit, sondern bleibt auf gleich hohem Niveau des Zustandes nach dem Kugelstrahlen unverfestigter Oberflächen. Dieses Ergebnis ist im Hinblick auf die Anwendung des Kugelstrahlens für unterschiedlichste Verfestigungszustände nach spanender Bearbeitung von größter Bedeutung. Im Gegensatz zum Kugelstrahlen wurde durch das Festwalzen einer unverfestigten Oberfläche keine Verbesserung des Ermüdungsverhaltens bei Umlaufbiegebeanspruchung erreicht. Die Ursache hierfür ist die nahezu nicht vorhandene Verfestigung direkt an der Oberfläche. Beim Festwalzen induzierte Druckeigenspannungen, die tiefreichender sind im Vergleich zum Kugelstrahlen wirken sich unter diesen Bedingungen nicht positiv auf das Ermüdungsverhalten unter Umlaufbiegebeanspruchung aus. Entsprechend setzt nach dem Festwalzen elektrolytisch polierter Proben die Rissbildung an der Oberfläche ein. Untersuchungen zur Art der Defekte, die bei der Oberflächenverfestigung induziert werden, haben gezeigt, dass es sich im Wesentlichen um kurzreichende Defekte handelt, die thermisch sehr schnell ausheilen. Entsprechend kommt es nach dem Glühen im Temperaturbereich oberhalb 600 °C zu einem deutlichen Abbau der Randschichtverfestigung. Dabei erfolgt der Abbau der Eigenspannungen bei Temperaturen > 500 °C- 700 °C deutlich schneller im Vergleich zur Versetzungsdichte. Infolge des Eigenspannungsabbaus setzt die Ermüdungsrissbildung oberflächenverfestigter, geglühter Proben an der Oberfläche ein, wodurch die Oberflächengüte einen entscheidenden Einfluss auf das Ermüdungsverhalten bekommt. Entsprechend sind nach der Glühung verbleibende Randschichtverfestigungen effektiver für das Ermüdungsverhalten, wenn die Oberflächengüte hoch ist (kugelgestrahlte und anschließend geglättete Oberfläche bzw. bearbeitete, festgewalzte Oberfläche). Für mittlere Temperaturen bis ~600 °C, bei denen auch nach längeren Zeiten erhebliche Randschichtverfestigungen erhalten bleiben, die Eigenspannungen jedoch deutlich abgebaut sind, ist möglicherweise eine erneute Oberflächenverfestigung nach bestimmter Betriebszeit durch Kugelstrahlen und anschließendes Glätten denkbar. Zum Abschluss des Projektes wurden zwei Methoden zur Erhöhung der thermischen Stabilität der Randschichtverfestigung untersucht: (1) Heterogene Ausscheidung von fein dispers verteilten Karbiden an Versetzungen durch modifizierte Oberflächenverfestigung der kohlenstoffhaltigen TNB-V2-Legierung (2) Gezielte Phasenumwandlung im Randbereich durch Hochtemperatur-Kurzzeitglühung der TNB-Legierungen Die erste Methode ist aufgrund der Konstitution in Legierungen der Basiszusammensetzung Ti-45Al-Nb kaum anwendbar. Dagegen bietet die Randschichtverfestigung durch lokale Phasentransformation gute Möglichkeiten, das generelle Problem von mechanisch verfestigten Oberflächen, die geringe thermische Stabilität der Verfestigung, zu überwinden. Hierzu könnte versucht werden, Phasenumwandlungen bei tieferen Temperaturen auszunutzen, wodurch die Oxidations- und Korrosionsprobleme weitgehend vermieden werden könnten. Derartige Festkörperumwandlungen wurden bei neu entwickelten modulierten TiAl-Legierungen angewendet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Effect of Shot Peening on Fatigue Performance of Lamellar Titanium Aluminide Alloy, Acta Mater. 54, (2006), 1155
J. Lindemann, C. Buque, F. Appel
- Surface strengthening for enhancing fatigue performance of a lamellar titanium aluminide alloy, Proceedings of the 3rd International Workshop on Gamma-TiAl Technologies, Bamberg, Germany, 2006
J. Lindemann, F. Appel
- Influence of Mechanical Surface Treatments on the Fatigue Performance of the Gamma TiAl Alloy Ti-45Al-9Nb-0.2C, Materials Science Forum Vols. 539-543, (2007), 1553
J. Lindemann, A. Kutzsche, M. Oehring and F. Appel
- Influence of Mechanical Surface Treatments on the High Cycle Fatigue Performance of Gamma Titanium Aluminides, Ti-2007 Science and Technology (M. Niinomi et al, Eds.), The Japan Institute of Metals (2007) Vol. II, 1703
J. Lindemann, M. Glavatskikh, C. Leyens, M. Oehring and F. Appel
- Surface Strengthening for Enhanced Fatigue Performance of Gamma Titanium Aluminides, Structural Aluminides for Elevated Temperatures (Y.-W. Kim, D. Morris, R. Yang, C. Leyens, Eds.) TMS (2008) 111
M. Glavatskikh, J. Lindemann, C. Leyens, M. Oehring, F. Appel
- Diffusion Bonding of y(TiAl) Alloys: Influence of Composition, Microstructure, and Mechanical Properties, Metall. Mater. Trans. A, 1881-1902 (2009)
D. Herrmann and F. Appel
