Versprödung von gamma-Titanaluminiden durch Hochtemperaturoxidation: Mechanismen und Maßnahmen zur Vermeidung

Intermetallische TiAl-Legierungen bilden eine wichtige Materialklasse von Hochtemperaturwerkstoffen, die zum Beispiel als Strukturmaterialien in Turbinenschaufeln eingesetzt werden. Durch ihre geringen Dichten sind sie mögliche Kandidaten, um die derzeit gängigen Ni-Basis-Superlegierungen zu substituieren und dadurch die Effizienz von Hochtemperaturanwendungen zu steigern. Die Einsatztemperatur von TiAl-Legierungen ist aber derzeit auf etwa 750°C beschränkt, da für höhere Temperaturen kein ausreichender Oxidationsschutz gewährleistet ist und das Material versprödet. In vorangegangenen Projekten wurde ein Wärmedämmschichtkonzept entwickelt, um das darunter liegende Material vor Oxidation zu schützen. Allerdings beeinflusst der Beschichtungsprozess die mechanischen Eigenschaften der Legierungen. Um das zu verhindern, werden im Rahmen dieses Projekts der Einfluss des Beschichtungsprozesses und der Mechanismus der Versprödung des Randbereichs untersucht. Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen wird der Beschichtungsaufbau dann optimiert, um die mechanischen Eigenschaften der Legierung für Langzeitanwendungen zu erhalten.

Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Technischen Universität Dresden (TUD) bearbeitet, wobei alle Parteien sowohl an der Beschichtungsentwicklung wie auch an der Analyse der mechanischen und Oxidations-Eigenschaften beteiligt sind. Neben einer Wärmedämmschicht besteht die Beschichtung aus einem thermisch gewachsenen Oxid (Al₂O₃) und einer Aluminium-reichen Diffusionsschicht, deren Oberfläche mit Fluor behandelt ist. Die Diffusionsschichten werden einerseits mittels Packzementierungsprozess am DFI oder andererseits mittels Magnetron-Sputtern am DLR auf die TNM-B1 Legierung aufgebracht. Mittels einer Fluorbehandlung und Voroxidation (DFI) wird der Halogen-Effekt angewandt und eine selektive Oxidation von Aluminium gewährleistet. Die oberste Schicht, die Wärmedämmschicht besteht aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid (7 Gew.-% YSZ) und wird am DLR aufgebracht. Nach jedem Beschichtungsschritt wird die Änderung der Mikrostruktur, der chemischen Zusammensetzung und der mechanischen Eigenschaften untersucht. Zur Analyse werden Methoden wie Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA), Röntgenbeugung (XRD), protonen-induzierte Gamma-Emission (PIGE), Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und Glimmentladungsspektroskopie (GD-OES) verwendet. Die mechanischen Eigenschaften werden mittels 4-Punkt-Biege-, Nanoindentations-, Zug- und Ermüdungsversuchen bestimmt (TUD). Das Oxidationsverhalten und der Einfluss der verschiedenen Oberflächenbehandlungen werden sowohl unter isothermen wie auch unter zyklischen Bedingungen bei 900°C in Luft untersucht.

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - GA 1704/9-2