Effect of Co and W on the phase transformations and mechanical high-temperature properties of ß-solidifying ¿-TiAl alloys

Titanaluminid-Legierungen (TiAl) zählen zur Werkstoffklasse der intermetallischen Legierungen und weisen hervorragende spezifische Hochtemperatureigenschaften bei einer geringen Dichte von rund 4 g/cm³ auf. Insbesondere die Entwicklung der TNM-Legierung, die zu den \gamma-TiAl Legierungen zählt und deren binäre TiAl Basis um Nb, Mo und B erweitert wurde, ermöglicht den Einsatz als Hochtemperaturwerkstoff für Daueranwendungstemperaturen bis etwa 750 °C im Luftfahrt- und Energiesektor dank der Stabilisierung der duktilen \beta-Phase, welche konventionelle Herstellungsmethoden, wie Schmieden, ermöglicht. Um den Dauereinsatzbereich zu erweitern, muss das TNM-Legierungskonzept chemisch verfeinert und Wärmebehandlungen zum Einstellen der für den Einsatz erforderlichen Gefüge an die durch die geänderte Chemie verschobenen Phasenfelder angepasst werden. Diese Arbeit untersucht daher den Einfluss von 1 at.% Co (TNM1Co) bzw. 1 at.% W (TNM1W) auf die Phasenumwandlungen, die Gefügeentwicklung und die damit verknüpften thermo-mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum Referenzwerkstoff TNM. Die pulvermetallurgischen Ausgangszustände nach dem heißisostatischen Pressen wurden zusammen mit wärmebehandelten und abgeschreckten Zuständen mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht, um die Existenzbereiche der einzelnen Phasenfelder zu bestimmen. Die durch chemische Variation hervorgerufenen veränderten Phasenübergangstemperaturen wurden korrelativ, sowohl im Labor durch Differenzkalorimetrie als auch mittels in situ Heizversuchen unter hochenergetischer Synchrotronröntgenstrahlung analysiert. Die Quantifizierung der Phasen als Funktion der Temperatur wurde mithilfe der Rietveld-Methode durchgeführt. Die TNM1W-Variante zeigt einen Temperaturbereich mit minimalem \beta Phasengehalt, was sowohl die Möglichkeit für konventionelle Herstellung als auch die Einstellung einer Mikrostruktur erlaubt, welche relevant für Anwendungen ist. In TNM1Co konnte erstmals die Existenz der \tau Phase, die in TiAl-Legierungen bis dato erst ab höheren Co-Gehalten >1,5 at% nachgewiesen wurde, mit einem Phasenanteil von rund 3 % und einer Temperaturstabilität bis 1095 °C gemessen werden. Die Morphologie und Chemie der bis zu 1 µm großen \tau Ausscheidungen wurde, örtlich aufgelöst, im Rasterelektronenmikroskop und mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie bestimmt. Mechanische Eigenschaften der \gamma-TiAl-Legierungsvarianten wurden bei Raum- und Hochtemperatur in Zugversuchsreihen und durch Kurzzeitkriechversuche bestimmt. Dabei wurde zusätzlich zur Variation der Legierungen der Einfluss unterschiedlicher Mikrostrukturen ermittelt. Bei Raumtemperatur zeigen Proben mit geringerem \beta_o Gehalt unabhängig von der Chemie eine höhere Bruchdehnung. TNM1Co zeigt bei den Hochtemperatur-Zugversuchen ab 750 °C im Gegensatz zur Referenz TNM bereits ein duktiles Verhalten, verbunden mit einem signifikanten Abfall der Festigkeit auf 390 MPa. In den durchgeführten Kurzzeitkriechversuchen, bei Prüfspannungen von 200 MPa, erweist sich TNM1W verglichen mit TNM1Co als deutlich kriechbeständiger: Die Zeit, bis 1 % Dehnung auftritt, beträgt 79,5 h bei 750 °C bzw. 8,1 h bei 800 °C. Die TNM1Co-Variante zeigt dieselbe Dehnung bereits nach 41,8 h (750 °C) bzw. nach 2,6 h (800 °C). Diese Unterschiede korrelieren mit der nachteiligen Wirkung erhöhter \beta_o-Anteile, welche aufgrund der B2 Kristallstruktur erhöhte Diffusion ermöglichen. Das Legieren von W in TNM verlangsamt diffusionskontrollierte Mechanismen und neutralisiert so zu einem gewissen Grad den negativen Einfluss des erhöhten \beta_o-Anteils. Der Zusatz von Co bildet jedoch die ¿ Phase, womit Co abgebunden und nicht diffusionshemmend wirken kann. Dadurch ergibt sich die reduzierte Kriechbeständigkeit im Vergleich zur Referenz TNM.