Risswachstum in intermetallischen TiAl unter besonderer Berücksichtigung der Rissausbreitung in Tiefenrichtung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Bestimmung des Rissinitiierungs- und -ausbreitungsverhaltens in Titanaluminiden unter quasi-statischer und zyklischer Belastung wurde ein ganzheitliches Konzept entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Es konnten Wachstumsraten, angefangen vom „Stop-and-go“-Verhalten mikrostrukturell stark beeinflusster Mikrorisse bis zu der instabilen Rissausbreitung längerer Risse, ermittelt werden. Bei den Ermüdungsexperimenten bei Raumtemperatur zeigte sich, dass der Werkstoff zwei offensichtliche Schwellenwerte besitzt. Zum einen gibt es einen Grenzwert bezüglich der Rissentstehung, wo im Wesentlichen die Schubspannung als kritische Lastgröße die interlamellare Rissinitiierung innerhalb entsprechend orientierter Lamellenkolonien hervorruft. Zum anderen existiert ein Schwellenwert für die weitere Rissausbreitung über die Koloniengrenzen hinweg, der von der räumlichen Orientierungsdifferenz benachbarter Kolonien β abhängt. Als eine weitere effektive Barriere wurde die β-Phase der neueren Legierungsklasse identifiziert. Zur Überwindung der letztgenannten Barrieren, mit dem Ziel systematischer Untersuchungen des Rissausbreitungsverhaltens, wurden mikrostrukturell kleine Starterkerben mit dem Femtosekundenlaser erzeugt und eingesetzt. Für TiAl-Legierungen erforderliche Prozessparameter zur Erzeugung der Starterkerben konnten während der gewährten Projektdauer gefunden und optimiert werden. Die optimalen Parameter liegen im Bereich der minimalen Beanspruchung des Materials bei einer vertretbaren Bearbeitungsdauer von sechs Minuten. Die Kerbform wurde, begleitet durch FEM-Berechnungen, im Hinblick auf hohe Spannungsüberhöhung gestaltet, womit sehr gute Ergebnisse bei der Untersuchung des Risswachstums in TiAl erzielt werden konnten. Für die Untersuchung der mikrostrukturellen Einflussnahme der vorliegenden Phasen auf die Rissinitiierung und -ausbreitung wurde das Verfahren der femtosekunden Laser-induzierten Plasmaspektroskopie (fs-LIBS) erprobt. Dieses Verfahren soll weiterhin optimiert werden. Für das Rasterabbildungsverfahren beschränkten sich die Untersuchungen zunächst auf zweidimensionale Scans der Probenoberfläche. Bei den gegebenen experimentellen Rahmenbedingungen ließ sich ein optimaler Arbeitspunkt für die 2D fs-LIBS-Analyse mit entsprechender Kalibrierung und Charakterisierung des Rasterabbildungsverfahrens ermitteln. Anschließend konnten diverse erfolgreiche Messungen an TiAl durchgeführt und eine Auswahl davon veröffentlicht werden. Erste Experimente zeigen das große Potenzial des Rasterabbildungsverfahrens in drei Dimensionen. Das Verfahren wird momentan durch den nichtlinearen Abtrag in Tiefenrichtung und das abgetragene Material eingeschränkt. Dies gibt Anlass zu technischen Verbesserungen des experimentellen Aufbaus und weiteren Untersuchungen des dreidimensionalen Abtrags.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Development of a 3D-mapping technique for microcrack investigation in alloys by femtosecond- LIBS, Conference on Laser Ablation – COLA 2009, Singapur, 22.- 27.11.2009
Mildner, J., Englert, L., Horn, A., Baumert, T., Wessel, W., Brückner-Foit, A.
- Systematische Untersuchungen der Mikrorissinitiierungs- und Wachstumsphase einer lamellaren γ-TiAl Legierung unter zyklischer Belastung, DGM/DVM-AG Materialermüdung, Blankenfelde-Mahlow, 07-08.05.2009
Wessel, W., Bode, B., Brückner-Foit, A., Mildner, J., Haag, L., Englert, H., Horn, A., Baumert, T.
- Two-dimensional mapping of surface microcracks in TiAl by femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy, Lasers in Manufacturing - LiM 2009, München, 15.-18.06.2009
Mildner, J., Englert, L., Wessel, W., Horn, A., Brückner-Foit, A., Baumert, T.
- Crack initiation and propagation in intermetallic γ-based TiAl alloys - experimental and numerical investigations, EUCOMAS 2010, Berlin, 07-08.06.2010
Wessel, W., Bode, B., Brückner-Foit, A.
- Use of femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy (fs-LIBS) for micro-crack analysis on the surface, Eng. Fract. Mech. 77, 1874-1883 (2010)
W. Wessel, A. Brueckner-Foit, J. Mildner, L. Englert, L. Haag, A. Horn, M. Wollenhaupt, T. Baumert
