Einfluss von Legierungselementen auf die Oxidationsbeständigkeit von near-α-Titanlegierungen für Wire Arc Additive Manufacturing

Im Anwendungsbereich von Hochtemperaturwerkstoffen nimmt die Klasse der near-α-Titanlegierungen einen wichtigen Stellenwert ein. Durch ihr flexibles Eigenschaftsprofil sowie die geringe Dichte sind sie insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Automobilbau von großer Bedeutung. Speziell die Anwendungsmöglichkeit bei erhöhten Temperaturen, die sich aufgrund ihrer ausgezeichneten Kriech- und Oxidationsbeständigkeit ergibt, ist dabei sehr vorteilhaft. Das Forschungsinteresse der letzten Jahre richtet sich vor allem auf die Entwicklung von Legierungszusammensetzungen, welche explizit für die additive Fertigung optimiert sind. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Analyse von drei neuartigen near-α-Titanlegierungen, deren Legierungskonzept auf dem konventionell verwendeten Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) basiert. Die neuen Varianten enthalten zusätzlich Nb, Cu oder Y, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen. Zur Untersuchung der Legierungen wurden gegossene Knopfschmelzproben verwendet, die eine schnelle und einfache Charakterisierung ermöglichen. Ein Hauptaugenmerk liegt auf dem Zustand nach der Verarbeitung mittels drahtbasierter additiver Fertigung (engl.: wire arc additive manufacturing, WAAM). Aus diesem Grund wurde bei den Proben eine zyklische Wärmebehandlung durchgeführt, welche die Temperaturbedingungen eines WAAM Prozesses nachstellen soll. Zunächst wurde der Gusszustand und die Auswirkung der Wärmebehandlung auf Phasen, Mikrostruktur und Härte untersucht. Bei den Legierungen mit erhöhten Cu-Anteilen wurden Härtewerte über 400 HV1 gemessen. In situ Versuche mit hochenergetischer Röntgenstrahlung zeigten die Ausscheidung von Ti2Cu während des simulierten WAAM Prozesses. Diese intermetallische Phase bildet sich im Temperaturbereich von 500-700 °C und ist maßgeblich für die beobachtete Härtesteigerung verantwortlich. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war es, die Auswirkung der Legierungselemente auf die Oxidationsbeständigkeit der Werkstoffe zu untersuchen. Thermogravimetrische Analysen ergaben hierbei für die neuen Legierungen eine signifikante Verbesserung gegenüber herkömmlichem Ti6242. Zudem zeigten Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop dichtere und somit besser schützende Oxidschichten. Bei zyklischer Temperaturbeanspruchung wies die Variante mit Y ein besonders gutes Oxidationsverhalten auf. Die Tiefe der Sauerstoffdiffusionszone wurde über das ermittelte Härteprofil im Randbereich des Probenquerschnitts abgeschätzt. Es zeigte sich, dass O innerhalb von 24 h bei einer Haltetemperatur von 800 °C bis zu einer maximalen Tiefe von etwa 100 μm diffundiert. Insgesamt besitzen die neuartigen Legierungssysteme vielversprechende Eigenschaften für den Einsatz als oxidationsbeständige Werkstoffe.