Thermomechanischen Ermüdung von near-Gamma Titanaluminid-Legierungen unter ein- und mehrachsiger Beanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Werkstoffgruppe der intermetallischen γ-Titanaluminidlegierungen ist aufgrund ihres attraktiven Eigenschaftsprofils (z. B. geringe Dichte, hohe Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit) vor allem für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Komponenten in Verbrennungsmotoren und Triebwerken als Werkstoffalternative zu den warmfesten Stählen und Nickelbasis-Superlegierungen interessant. Komplexe bauteilrelevante Belastungen, wie thermische Ermüdung (TMF: Thermomechanical Fatigue) und mehrachsiges Kriechen, wurden an Titanaluminiden bisher kaum untersucht. Für die Auslegung und den sicheren Betrieb von Komponenten ist eine werkstoffmechanische Charakterisierung unter bauteilrelevanten Bedingungen dringend erforderlich. Bedingt durch das Strangpressen weist das Duplex-Ausgangsmaterial (Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C in At.%; TNB-V5) eine Gefügeanisotropie in Strangpressrichtung in Form aneinander gereihter lamellarer Kolonien auf. Die lamellaren Grenzflächen sind meist in Strangpressrichtung orientiert. In einachsigen Kriechversuchen lässt sich eine Abhängigkeit des Kriechverhaltens von der Probenentnahmerichtung aus dem Ausgangsmaterial erkennen. Aufgrund der Gefügeanisotropie weisen senkrecht zur Strangpressrichtung entnommene Proben eine etwas höhere Kriechfestigkeit auf. Unter zweiachsiger Beanspruchung im Doppelscherkriechversuch besteht keine Abhängigkeit des Kriechverhaltens von der Probenorientierung. Die Anwendung einfacher von Mises-Vergleichshypothesen für äquivalente Spannungen und Kriechraten führt teilweise zu einer guten Übereinstimmung der experimentell bestimmten Kriechdaten. Problematisch bei der Abschätzung des Materialverhaltens unter einem mehrachsigen Spannungszustand auf Basis von einachsig ermittelten Kriechdaten ist jedoch das anisotrope Kriechverhaltens im Zugkriechversuch. Allgemein funktioniert der hier gewählte von Mises-Ansatz deshalb nicht, da er auf der Annahme eines isotropen Materialverhaltens basiert. Zusammenfassend lässt sich für die Duplex-Legierung TNB-V5 festhalten, dass das Verformungsverhalten der lamellaren Kolonien unter Kriechbedingungen durch die Mechanismen der Versetzungsplastizität (Einfach- und Superversetzungen) und mechanischer Zwillingsbildung bestimmt wird, wobei die Aktivierung von Einfachversetzungen als dominierender Mechanismus angesehen werden kann. Entgegen der üblichen Erwartungen für γ-TiAl liegen innerhalb der äquiaxialen γ-Körner nach TMF und Kriechverformung kaum Versetzungen vor und mechanische Zwillingsbildung stellt auch nicht den dominierenden Mechanismus der Verformung dar. In Bereichen mit feinen γ-Körnern trägt das Korngrenzgleiten zur Verformung bei. Dies wurde anhand speziell mittels der FIB-Technik präparierter Kriechproben in Verbindung mit detaillierten mikrostrukturellen Untersuchungen nachgewiesen. Das Korngrenzgleiten wird mit steigenden Dehnungen im Kriechexperiment zusätzlich durch ablaufende dynamische Rekristallisationsprozesse unterstützt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Quantitative Charakterisierung der Gefüge-Anisotropie einer stranggepressten TiAl-Legierung. Prakt. Metallogr. 45 (2008) 210-224
D. Peter, J. Pfetzing, M.F.-X. Wagner, Ch. Somsen, J. Pesicka, B. Skrotzki, G. Eggeler
- Grain Boundary Sliding in a TiAl Alloy with Fine-Grained Duplex Microstructure during 750°C Creep. Mater. Sci. Eng. A 510-511 (2009) 359-363
D. Peter, G.B. Viswanathan, M.F.-X. Wagner, G. Eggeler
- Microstructural anisotropy, uniaxial and biaxial creep behavior of Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C. Mater. Sci. Eng. A 510-511 (2009) 368-372
D. Peter, J. Pfetzing, M.F.-X. Wagner, G. Eggeler
- Axial-Torsional Thermomechanical Fatigue of a near-γ TiAl-Alloy. Mater. Sci. Eng. A 527 (2010) 3829-3839
S.P. Brookes, H.-J. Kühn, B. Skrotzki, H. Klingelhöffer, R. Sievert, J. Pfetzing, D. Peter, G. Eggeler
