Ein Einsatz von Werkstoffen auf der Basis von γ-TiAl für Hochtemperaturanwendungen (900 Grad Celsius) scheitert bislang maßgeblich an deren Oxidationsverhalten, denn das schnell wachsende und von TiO2 dominierte Mischoxid bietet keinerlei Schutz vor weiterem Sauerstoffangriff.
Der hier angewandte Halogeneffekt ändert dieses Verhalten durch eine gezielte Fluor-Mikrolegierung im oberflächennahen Bereich und führt bei T >; 800 Grad Celsius zur Ausbildung einer dichten und schützenden Al2O3-Schicht.
In dieser Dissertation werden die zerstörungsfreien ionenstrahlanalytischen Methoden PIGE und RBS mit klassischen werkstoffwissenschaftlichen Ansätzen verknüpft und zur Charakterisierung der Oxidschichten eingesetzt. Insbesondere die mit PIGE in hoher Auflösung ermittelten Fluor-Tiefenprofile können als Indikator für einen erfolgreichen Hochtemperaturoxidationsschutz verwendet werden.
Zur Fluorierung kommen neben der Beamline-Ionen-Implantation auch chemische Verfahren zur Anwendung, die eine Behandlung komplexer Bauteilgeometrien ermöglichen. Darüber hinaus werden viele Details daegelegt, vom Design der Vakuumkammer bis hin zur Fehlerrechnung, die für eine erfolgreiche Durchführung von Ionenstrahlanalysen an Beschleunigern nützlich sind.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Die intermetallischen Titanaluminide (TiAl) werden heutzutage auf Grund ihrer vielversprechenden Materialeigenschaften bei hohen Temperaturen primär für Turbinenschaufeln im Niederdruckbereich von Flugzeugtriebwerken eingesetzt. Im Zuge der Hochtemperaturbeanspruchung jedoch kommt es zu der Bildung einer nicht schützenden Mischoxidschicht sowie zu einer Abnahme der mechanischen Eigenschaften.
Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel, das Oxidationsverhalten der kommerziellen Ti-48Al-2Cr-2Nb sowie Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B Legierungen zu analysieren, wobei der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Identifikation potenzieller Versprödungsmechanismen bei 700°C liegt.
In den letzten Jahren wird zusätzlich vermehrt auf das Phänomen der unzureichenden Verschleißresistenz von TiAl hingewiesen. Hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang der starke Temperatureinfluss auf das Verschleißverhalten.
Analog wurden zwei Schutzschichtkonzepte untersucht, um deren Eignung als Oxidations- und Verschleißschutzschichten für TiAl beurteilen zu können. Alitierschichten (CVD) zeigten auf Grund der selektiven Oxidation von Al exzellente Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen von bis zu 900°C. Die tribologischen Eigenschaften der alitierten Proben wurden – mit Ausnahme hoher Verschleißraten bei 600°C - durch Erhöhung des Verhältnisses aus der Härte und dem E-Modul stark verbessert.
Die Abscheidung von Cr2AlC-basierten MAX-Phasen-Schutzschichten (PVD) führte ebenfalls zu einer deutlichen Verbesserung des Oxidationsverhaltens. Das Verschleißverhalten ist grundsätzlich durch Delamination und erhöhten Drittkörperver-schleiß charakterisiert.
Aktualisiert: 2023-04-13
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Ein Einsatz von Werkstoffen auf der Basis von γ-TiAl für Hochtemperaturanwendungen (900 Grad Celsius) scheitert bislang maßgeblich an deren Oxidationsverhalten, denn das schnell wachsende und von TiO2 dominierte Mischoxid bietet keinerlei Schutz vor weiterem Sauerstoffangriff.
Der hier angewandte Halogeneffekt ändert dieses Verhalten durch eine gezielte Fluor-Mikrolegierung im oberflächennahen Bereich und führt bei T >; 800 Grad Celsius zur Ausbildung einer dichten und schützenden Al2O3-Schicht.
In dieser Dissertation werden die zerstörungsfreien ionenstrahlanalytischen Methoden PIGE und RBS mit klassischen werkstoffwissenschaftlichen Ansätzen verknüpft und zur Charakterisierung der Oxidschichten eingesetzt. Insbesondere die mit PIGE in hoher Auflösung ermittelten Fluor-Tiefenprofile können als Indikator für einen erfolgreichen Hochtemperaturoxidationsschutz verwendet werden.
Zur Fluorierung kommen neben der Beamline-Ionen-Implantation auch chemische Verfahren zur Anwendung, die eine Behandlung komplexer Bauteilgeometrien ermöglichen. Darüber hinaus werden viele Details daegelegt, vom Design der Vakuumkammer bis hin zur Fehlerrechnung, die für eine erfolgreiche Durchführung von Ionenstrahlanalysen an Beschleunigern nützlich sind.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Die Titanaluminide mit volllamellarer Mikrostruktur, bestehend aus den beiden alternierenden Intermetallischen Phasen TiAl (γ Phase) und Ti3Al (α2 Phase), sind eines der vielversprechendsten Materialien für Anwendungen, bei denen hohe thermische und mechanische Belastungen herrschen.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss der drei Legierungselemente Niob, Tantal und Zirkonium in volllamellaren Titanaluminiden (Ti 44Al 5X) untersucht. Dazu wurden die Mikrostruktur, die thermophysikalischen Eigenschaften der Legierungen sowie die Diffusions- und Mischkristallhärtungs¬koeffizienten der Legierungselemente bestimmt. Der Einfluss der zusätzlichen Elemente auf die mechanischen Eigenschaften wurde mittels Dehnratenwechsel und Kriechversuchen charakterisiert.
Im Vergleich mit einer binären Legierung (Ti 44Al) zeigte sich, dass alle drei Legierungselemente einen positiven Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben. Abhängig von der angelegten Spannung und der Temperatur, zeigten entweder die mit Zirkonium oder die mit Tantal legierten Werkstoffe die besseren Eigenschaften.
Aktualisiert: 2020-09-10
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Bei γ-Titanaluminiden handelt es sich um intermetallische Leichtbauwerkstoffe, die attraktive mechanische Eigenschaften besitzen. Aus diesem Grund werden γ-Titanaluminide als Grundmaterial für Turbinenschaufeln in der Luftfahrtindustrie sowie als Turbolader-Rotoren in der Automobilindustrie angewandt. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber (Hochtemperatur-)Oxidation ist der Einsatz jedoch auf "kältere" Bereiche wie die Niederdruckturbine in Fluggasturbinen beschränkt. Um die Effizienz von Fluggasturbinen und Verbrennungsmotoren zu erhöhen, ist eine weitergehende Verwendung von γ-Titanaluminiden eine wichtige Strategie, die jedoch neue Lösungen zum Oxidationsschutz erfordert
In der vorliegenden Dissertation wurde ein mehrlagiges thermisch gespritztes Oxidationsschutzschichtsystem für γ-Titanaluminide entwickelt und untersucht. Das entwickelte Beschichtungssystem, welches aus einer YSZ Diffusionsbarriere und einer MCrAlY Deckschicht besteht, wurde anhand von unterschiedlichen Substratvorbehandlungsmethoden, Beschichtungsversuchen, durch den Einsatz von Haftvermittlerbeschichtungen und Gradierungen qualifiziert. Die Auswertung erfolgte auf Basis von Haftzugprüfungen, Eigenspannungsuntersuchungen sowie isothermen und thermozyklischen Auslagerungsversuchen, um eine zielgerichtete Weiterentwicklung zu ermöglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass keramische Beschichtungen als Diffusionsbarriere in Verbindung mit metallischen aluminumoxidbildenden Deckschichten eine vielversprechende Lösung für einen umfassenderen Einsatz von γ-Titanaluminiden in Hochtemperaturanwendungen darstellen.
Aktualisiert: 2020-12-08
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