Entwicklung einer kostengünstigen, gut gießbaren und leicht bearbeitbaren Titanlegierung

Projektziel

Im Rahmen des AiF-Forschungsprojekts sollen innovative Titanlegierungen entwickelt werden, die sich durch möglichst geringe Rohstoff- und Herstellkosten, eine gute Gießbarkeit und eine leichte Bearbeitbarkeit auszeichnen. Dies soll durch die Verwendung der Legierungselemente Aluminium, Eisen, Kupfer, Lanthan, Molybdän und Silizium erreicht werden. Die so designten Legierungen werden dann die Voraussetzungen für einen Einsatz von Titanwerkstoffen in kleinen, mittleren und großen Serien erfüllen. Die Hauptanwendungsgebiete liegen dabei in der Automobilbranche, der chemischen Industrie sowie der Nahrungsmittelindustrie. Besonderes Augenmerk wird auf eine Gewichtsreduktion bewegter Teile gelegt (zum Beispiel durch eine Substitution schwerer Stähle), um so den Energieverbrauch und den CO₂-Ausstoß entsprechender Bauteile oder Anlagen zu senken.

Allgemeine Vorgehensweise

Nach dem Legierungsdesign sollen die neuen Titanlegierungen umfassend hinsichtlich ihrer Mikrostrukturentwicklung bei thermo-mechanischer Behandlung und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften sowie des Verhaltens in korrosiven Medien untersucht werden. In Zusammenarbeit mit den am Projekt beteiligten Industrieunternehmen (Titanherstellern, Anwendern und potenziellen Neuanwendern von Titanwerkstoffen) ist zu klären, ob sich bestehende Produkte durch den Einsatz der neuen Legierungen kostengünstiger herstellen lassen oder sich die Produktpalette von Titanbauteilen erweitern lässt. Durch eine interdisziplinäre Kooperation von Metallkundlern und Korrosionsfachleuten soll aufgeklärt werden, welchen Einfluss die neu eingesetzten Legierungselemente (hier: Kupfer, Lanthan und Silizium) hinsichtlich Umwandlungsverhalten, mechanischem Verhalten und der Korrosionsbeständigkeit ausüben. Ein grundlegendes Verständnis dieser Zusammenhänge ist Voraussetzung für den Einsatz dieser neuen Legierungen bei technisch anspruchsvollen Anwendungen.

Vorgehensweise Korrosionsmessungen

Durch den Einsatz der Rasterkelvinsondenkraftmikroskopie (SKPFM) sowie durch potentiodynamische Polarisationstests, elektrochemische Impedanzspektroskopie und Expositionstests in verschiedenen Medien soll die Korrosionsbeständigkeit der neuen Legierungen untersucht werden. Des Weiteren sollen rasterkraftmikroskopische in-situ Messungen in einer Flüssigkeitszelle detailliertere Informationen über die Korrosions-mechanismen der Legierungen aufzeigen. Untersuchungen mittels Elektronenstrahl-mikrosonde sollen die Zusammensetzung der Legierungsphasen und der intermetallischen Ausscheidungen aufklären.

Stand der Arbeiten, Resultate

Die beiden entwickelten Legierungen zeigen metallische Ausscheidungen, die zum größten Teil aus Lanthan bestehen. In 1,5 gew.-%iger Natriumchloridlösung zeigt die Versuchslegierung Ti-FM* einen früheren Durchbruch (ca. 1,4 V vs NHE) als die Versuchslegierung Ti-FMS* (> 3 V vs NHE). Die Legierung Ti-FMS ist daher als deutlich stabiler zu bewerten. Allerdings zeigt Ti-FM eine ähnliche Stabilität, wenn die Legierung rundgeknetet wird. In 20 tägigen Expositionstests in 1,5 gew.-%iger NaCl zeigte sich, dass beide Legierungen unabhängig von der Wärmebehandlung eine selektive Korrosion der metallischen Partikel (La, La-Cu) zeigen, während die Matrix selbst keine sichtbaren Beschädigungen aufweist. SKPFM Messungen zeigen Voltapotentialunterschiede zwischen der α- und β-Phase beider Materialien (ca. 100 mV). Des Weiteren finden sich in beiden Legierungen sowohl korngrenzen- als auch kornorientierte Partikel, deren Potential in den meisten Fällen deutlich negativer (bis zu 400 mV) als das der Matrix ist. In einigen Fällen konnten auch Partikel mit inhomogener Potentialverteilung gemessen werden, die Bereiche mit hohen Potentialen aufweisen. Hier handelt es sich vermutlich um Kupferverbindungen. Erste Flüssigkeitszellenmessungen ohne äußere Polarisation zeigen, dass die Partikel vor ihrer Auflösung eine deutliche Zunahme des Volumens erfahren, was auf die Bildung von La(OH)₃ hindeutet. Dabei entsteht auch Wasserstoff. Die Auflösung der Partikel erfolgt meist schlagartig. Ex-situ AFM Messungen zeigen, dass die Oberfläche der Legierungen nach längeren Expositionen in 1,5 gew.-%iger NaCl eine dünne Deckschicht (wenige nm) bildet, die nur eine geringe mechanische Stabilität aufweist. Messungen mit der Elektronenstrahlmikrosonde zeigen, dass die metallischen Ausscheidungen aus zwei Bereichen bestehen. Ein Bereich besteht überwiegend aus Lanthan während der andere große Anteile an Kupfer enthält.

Ausblick

Die in den Resultaten aufgeführten Tests sollen auch in weiteren Elektrolyten wie verdünnter Salz-, Schwefel- und Salpetersäure sowie in fluoridhaltigen Medien durchgeführt werden. In Zukunft sollen auch weitere Tests mittels Flüssigkeitsrasterkraftmikroskopie, mit und ohne äußerer Polarisation, durchgeführt werden. Des Weiteren ist geplant, die Zusammensetzung der Oxidschicht vor und nach korrosiven Ereignissen mittels oberflächensensitiver Methoden wie zum Beispiel XPS zu untersuchen.

Das IGF-Vorhaben Nr. 16112 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.