Untersuchungen zum Einfluss von wasserdampfhaltigen Umgebungen auf die Hochtemperaturfestigkeit von Titanaluminidwerkstoffen für den verfahrenstechnischen Maschinen- und Anlagenbau

Titanaluminid-Werkstoffe stehen aufgrund ihrer guten Hochtemperatureigenschaften bei gleichzeitig geringem spezifischen Gewicht vor der technischen Anwendung in der Bereichen der Luft- und Raumfahrt, des Motorenbaus oder der chemischen Industrie. Trotz intensiver Forschungsarbeiten wurde allerdings bis heute dem Einfluß von Wasserdampf, der in nahezu allen angestrebten Einsatzgebieten als atmosphärischer Bestandteil den Werkstoff umgibt, nur eine geringe Aufmerksamkeit geschenkt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher erstmals der Einfluß von Wasserdampf durch Vergleichsversuche zum Oxidations-, Kriech- und Ermüdungsverhalten in den Atmosphären trockene Luft und Luft mit 10 Vol.-% H₂O im anwendungsrelevanten Temperaturbereich um 700°C systematisch untersucht. In den Untersuchungen zum Hochtemperaturverhalten der verwendeten Ti 47Al 1.0Cr Si - Legierung konnte eine Abhängigkeit von der An- oder Abwesenheit von Wasserdampf in der Umgebungsatmosphäre nachgewiesen werden. Aus den Vergleichsuntersuchungen geht hervor, daß offensichtlich Wasserstoff als Ursache für die veränderten Hochtemperatureigenschaften angesehen werden muß. Im Unterschied zu der bei Raumtemperatur angenommenen Reaktion zwischen Aluminium oder Titan mit Wasserdampf wird bei hohen Temperaturen Wasserstoff durch eine Reaktion zwischen TiO₂ (Rutil) und Wasserdampf erzeugt. In der Folge diffundiert Wasserstoff in die Oxidschicht bzw. den Werkstoff ein, wird reversibel gelöst und führt zu einer Verschlechterung des Oxidations-, Kriech- und Ermüdungsverhaltens. Der Einfluß des Wasserdampfs in der Atmosphäre auf das Oxidationsverhalten bei 700°C und 750°C äußert sich in einer Änderung der Oxidationskinetik, im Aufbau und in der Struktur der Oxidschicht sowie der Metallrandzone. Die Entstehung verschiedenartiger Oxidationsprodukte als Ursache für das unterschiedliche Verhalten konnte ausgeschlossen werden, da sowohl in trockener als auch in feuchter Luft TiO₂ (Rutil) und α-Al₂O₃ (Korund) gebildet werden. Dagegen treten signifikante Unterschiede im Oxidschichtaufbau, in der Oberflächenmorphologie sowie an der Metallrandzone auf, die auf eine Änderung der Defektstruktur des Oxids durch eindiffundierenden Wasserstoff zurückzuführen sind. Während sich in trockener Luft mit zunehmender Versuchsdauer eine geschlossene und schützende Al₂O₃-Barriere unterhalb einer äußeren TiO₂-Schicht bildet, verhindert die veränderte Defektstruktur die Bildung einer solchen Barriere in feuchter Atmosphäre. Folglich kann in wasserdampfhaltiger Luft Sauerstoff schneller eindiffundieren und höhere Oxidationskinetiken werden erreicht. Neben der Änderung der Defektstruktur werden nach längeren Versuchsdauern auch signifikante Unterschiede am Übergang zwischen Al-Verarmungszone und Oxidschicht sichtbar. In Luft mit 10 Vol.-% H₂O entsteht eine sauerstoffreiche Zwischenschicht, deren genaue Zusammensetzung und Struktur mit den verwendeten Untersuchungsmethoden nicht geklärt werden konnte. Offensichtlich steht die Bildung dieser Schicht allerdings ebenfalls in direktem Zusammenhang mit der Lösung von Wasserstoff in der Al-Verarmungszone bzw. der darüber liegenden Oxidschicht. Neben der Änderung der Defektstruktur in der Oxidschicht beeinflußt die Eindiffusion von Wasserstoff demnach auch Vorgänge an der Metallrandzone, die als zweiter kritischer Bereich für das veränderte Oxidationsverhalten anzusehen ist. Die Vergleichsuntersuchungen in trockener und feuchter Luft zum Kriechverhalten weisen auf einen Softening-Effekt durch eindiffundierenden und in der Matrix reversibel gelösten Wasserstoff hin. Allerdings ist dieser Softening-Effekt, der sich in einer Beschleunigung der Kriechgeschwindigkeit äußert, nur unter bestimmten Voraussetzungen festzustellen. In Abhängigkeit des geschwindigkeitsbestimmenden Kriechmechanismus wurde eine Erhöhung der Dehngeschwindigkeit in wasserdampfhaltiger Atmosphäre nur im Bereich des versetzungskontrollierten Kriechens ermittelt. Wird die Dehngeschwindigkeit dagegen durch Diffusionskriechen (Nabarro-Herring- oder Coble-Kriechen) bestimmt oder liegt sie bei sehr hohen Dehngeschwindigkeiten im Bereich des power-law-breakdown, so ist ein Einfluß der Atmosphäre nicht mehr zu beobachten. Im Rahmen der Nachuntersuchungen konnten die bislang diskutierten möglichen Ursachen wie die Wasserstoffrekombination, die Bildung von Titanhydriden, die frühzeitige Anrißbildung von der Oberfläche oder im Gefüge, sowie eine Verringerung des tragenden Querschnitts durch stärkeren Oxidationsangriff ausgeschlossen werden. Auch bei der den tertiären Kriechbereich bestimmenden Bildung und Koaleszenz von Kavitationen war ein atmosphärenabhängiger Unterschied nicht zu beobachten. Ein beschleunigtes Kriechverhalten in wasserdampfhaltiger Atmosphäre wurde immer dann festgestellt, wenn der für die Verformung verantwortliche Mechanismus der Erzeugung und Bewegung von Versetzungen zugeordnet wird. Daher ist auch für die γ-TiAl-Legierung der für das wasserstoffinduzierte Softening angenommene Mechanismus einer erleichterten Versetzungsbewegung oder -erzeugung durch in der Matrix gelösten Wasserstoff anzunehmen und entspricht den gefundenen Ergebnissen. Das Ermüdungsverhalten der γ-TiAl-Legierung weist eine starke Abhängigkeit von der Temperatur auf. Unabhängig von der Atmosphäre ist das Verformungsverhalten durch eine starke Verfestigung des Werkstoffs bei niedrigen Temperaturen (500°C) gekennzeichnet. Bei höheren Temperaturen (700°C und 750°C) ergibt sich dagegen eine Zunahme der Duktilität sowie eine geringere Verfestigung im Versuchsverlauf, die zusätzlich durch Relaxations-vorgänge überlagert wird. Mit ansteigender Temperatur wird eine starke Abnahme der Ermüdungslebensdauer ermittelt, die allerdings nicht ausschließlich auf das zunehmend plastischere Verformungsverhalten zurückgeführt werden kann. Durch Oxidation an der Oberfläche wird die Ermüdungslebensdauer durch die Bildung eines spröden und für die Anrißinitiierung kritischen Randbereichs (Al-Verarmungszone und Oxidschicht) bestimmt. Während bei niedriger Temperatur (500°C) der Bruch innerhalb des Gefüges ausgelöst wurde und kein spröder Randbereich nachgewiesen werden konnte, wurde bei sämtlichen Versuchen unter hohen Temperaturen (700°C und 750°C) der im Versuchsverlauf an der Oberfläche gebildete spröde Randbereich als versagenskritisch identifiziert. Dagegen werden im Erscheinungsbild der Bruchflächen keine temperatur- oder atmosphärenbedingte Unterschiede festgestellt. Weitere Vergleichsversuche zeigten, daß hinsichtlich der Lebensdauer der Einfluß der Oxidation sich stärker negativ auswirkt, als durch eine maschinelle Bearbeitung eingebrachte Oberflächendefekte. Ein Einfluß der Atmosphäre konnte dagegen lediglich bei hohen Temperaturen nachgewiesen werden und die Anwesenheit von Wasserdampf hat hier eine weitere Reduzierung der Ermüdungslebensdauer zur Folge. Dieser einheitlich gefundene Effekt ist auf eine zusätzliche Versprödung der Randzone durch eindiffundierenden Wasserstoff zurückzuführen. Die zusätzliche negative Wirkungsweise des Wasserdampfs ist im Vergleich allerdings wesentlich geringer als die der Oxidation. Aus sämtlichen Vergleichsuntersuchungen geht hervor, daß der durch eine Reaktion zwischen TiO₂ und Wasserdampf gebildete und eindiffundierende Wasserstoff die entscheidende Rolle für die Verschlechterung der Hochtemperatureigenschaften der γ-TiAl-Legierung in feuchter Atmosphäre bereits bei angestrebten Einsatztemperaturen spielt. Daher ist in der Umgebungsatmosphäre vorliegender Wasserdampf für die technische Anwendung nicht zu vernachlässigen und die Problematik einer möglichen Schutzwirkung von wesentlicher Bedeutung. Die Anforderung an die Weiterentwicklung und Optimierung der Titanaluminid-Werkstoffe hinsichtlich des Wasserdampfeffekts besteht daher in einer Minimierung der Reaktion zwischen TiO₂ und Wasserdampf, die durch die Bildung einer schützenden Al₂O₃-Barriere erreicht werden könnte.

Das IGF-Vorhaben Nr. 12022 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.