Development of TiAl alloys on the demand of additive manufacturing and high-temperature application

Titel in Übersetzung: Entwicklung von TiAl-Legierungen für die Anforderungen der additiven Fertigung und Hochtemperaturanwendung

David Wimler

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

In den letzten Jahrzehnten haben die erfolgreichen Legierungsentwicklungen auf dem Gebiet der Titanaluminide (TiAl), als Ersatz für die schweren Ni-Basislegierungen, zum Einsatz in Antriebssystemen der Luftfahrt und Automobilindustrie geführt. Dabei erreichen die eingesetzten TiAl-Legierungen auf Basis der intermetallischen γ-TiAl Phase maximale Einsatztemperaturen von ca. 750 °C und werden durch Guss und/oder Schmieden hergestellt. Um den Einsatzbereich von γ-TiAl Legierungen zu erweitern, zielt diese Arbeit auf höhere Einsatztemperaturen sowie auf neue Verarbeitungswege ab, letzteres vor allem in Richtung Pulvermetallurgie, wie der additiven Fertigung. Jedoch weist die additive Fertigung mittels Elektronenstrahlschmelzen (EBM) von etablierten Legierungen prozessbedingte Herausforderungen auf. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehung von EBM-gefertigtem TiAl und nutzt dieses Wissen zur Entwicklung neuer prozessangepasster TiAl-Legierungen der 4. Generation. Dies erfordert eine detaillierte mikrostrukturelle Charakterisierung der Proben, welche mit unterschiedlichen Prozessparametern hergestellt wurden, durch moderne Methoden wie Transmissionselektronenmikroskopie, Hochenergie-Röntgenbeugungsstudien, energiedispersiver Röntgenspektroskopie und mechanischer Prüfung bis zu 850 °C. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuen Legierungen nach der Herstellung von EBM-Proben mit optimierten Prozessparametern und einer anschließenden Wärmebehandlung sowohl chemisch als auch mikrostrukturell isotrop sind. Parallel wurden die Pulver der Legierungen mittels Spark-Plasma-Sintering konsolidiert und anschließend untersucht. Diese Fertigungsmethode ermöglicht die Bewertung neuer Legierungen und deren Gefüge ohne den Einfluss von variierenden Al-Gehalten, wie es in EBM gefertigten Proben ausgeprägt ist. Basierend auf ex- und in-situ Experimenten konnte die Kinetik und Stabilität von nm-großen Ausscheidungen für optimale Hochtemperatureigenschaften ermittelt werden. Schließlich konnte durch die gewonnenen Erkenntnisse die Herstellung eines belastbaren Prototypen aus einer neuen γ-TiAl Legierung der 4.Generation für die Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrt durchgeführt werden.
Titel in ÜbersetzungEntwicklung von TiAl-Legierungen für die Anforderungen der additiven Fertigung und Hochtemperaturanwendung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Körner, Carolin, Mitbetreuer (extern), Externe Person
  • Biamino, Sara, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Clemens, Helmut, Beurteiler A (intern)
  • Mayer, Svea, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Titanaluminide
  • Additive Fertigung
  • Spark Plasma Sintern
  • Mikrostruktur

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