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

Stefan Pfundner

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

Translated title of the contribution: Influence of alloying elements on the oxidation resistance of near-α titanium alloys for wire arc additive manufacturing

Stefan Pfundner

Chair of Physical Metallurgy (420)

Research output: Thesis › Master's Thesis

Abstract

The class of near-α titanium alloys plays an important role in the use of high-temperature materials. Due to their flexible property profile and low density, they are particularly important in the aerospace industry and in automotive engineering. Their excellent creep and oxidation resistance enables the application also at elevated temperatures, which is especially advantageous. In recent years, there has been a strong research focus on the development of alloy compositions that are explicitly optimized for additive manufacturing. In this thesis, three novel near-α titanium alloys are analyzed, with alloying concepts based on the conventionally used Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242). The new variants also contain Nb, Cu or Y to achieve improved properties. For the investigation of the alloys, cast button melting samples were used, which enable quick and easy characterization. A main focus was placed on the as-built condition after wire arc additive manufacturing (WAAM). To simulate the temperature conditions of a WAAM process, cyclic heat treatment was carried out on the samples. First, the as-cast condition and the effect of heat treatment on phases, microstructure and hardness were investigated. The alloys with increased Cu content in particular exhibited hardness values above 400 HV1. In situ experiments with high-energetic X-rays showed the precipitation of Ti2Cu during the simulated WAAM process. This intermetallic phase forms in the temperature range of 500-700 °C and is largely responsible for the observed increase in hardness. Another aim of this work was to investigate the effect of the alloying elements on the oxidation resistance of the materials. Thermogravimetric analyses showed a significant improvement in oxidation resistance for the new alloys compared to conventional Ti6242. In addition, scanning electron microscope examinations showed denser and thus more protective oxide layers. Under cyclic temperature stress, the variant containing Y exhibited a particularly good oxidation behaviour. The depth of the oxygen diffusion zone was estimated using the hardness profile determined in the edge area of the sample cross-section. It was found that O diffuses within 24 h at a holding temperature of 800 °C to a maximum depth of about 100 μm. Overall, the novel alloy systems have promising properties for the use as oxidation-resistant materials.

Translated title of the contribution	Influence of alloying elements on the oxidation resistance of near-α titanium alloys for wire arc additive manufacturing
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Awarding Institution	Montanuniversität
Supervisors/Advisors	Schnitzer, Ronald, Supervisor (internal) Obersteiner, David, Co-Supervisor (internal)
Award date	19 Dec 2025
Publication status	Published - 2025

Bibliographical note

no embargo

Keywords

titanium alloys
precipitation kinetics
intermetallic phase
additive manufacturing
thermogravimetric analysis
in situ high-energy X-ray diffraction
oxidation resistance

Cite this

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title = "Einfluss von Legierungselementen auf die Oxidationsbest{\"a}ndigkeit von near-α-Titanlegierungen f{\"u}r Wire Arc Additive Manufacturing",

abstract = "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 gro{\ss}er Bedeutung. Speziell die Anwendungsm{\"o}glichkeit bei erh{\"o}hten Temperaturen, die sich aufgrund ihrer ausgezeichneten Kriech- und Oxidationsbest{\"a}ndigkeit ergibt, ist dabei sehr vorteilhaft. Das Forschungsinteresse der letzten Jahre richtet sich vor allem auf die Entwicklung von Legierungszusammensetzungen, welche explizit f{\"u}r 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 zus{\"a}tzlich Nb, Cu oder Y, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen. Zur Untersuchung der Legierungen wurden gegossene Knopfschmelzproben verwendet, die eine schnelle und einfache Charakterisierung erm{\"o}glichen. 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 W{\"a}rmebehandlung durchgef{\"u}hrt, welche die Temperaturbedingungen eines WAAM Prozesses nachstellen soll. Zun{\"a}chst wurde der Gusszustand und die Auswirkung der W{\"a}rmebehandlung auf Phasen, Mikrostruktur und H{\"a}rte untersucht. Bei den Legierungen mit erh{\"o}hten Cu-Anteilen wurden H{\"a}rtewerte {\"u}ber 400 HV1 gemessen. In situ Versuche mit hochenergetischer R{\"o}ntgenstrahlung zeigten die Ausscheidung von Ti2Cu w{\"a}hrend des simulierten WAAM Prozesses. Diese intermetallische Phase bildet sich im Temperaturbereich von 500-700 °C und ist ma{\ss}geblich f{\"u}r die beobachtete H{\"a}rtesteigerung verantwortlich. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war es, die Auswirkung der Legierungselemente auf die Oxidationsbest{\"a}ndigkeit der Werkstoffe zu untersuchen. Thermogravimetrische Analysen ergaben hierbei f{\"u}r die neuen Legierungen eine signifikante Verbesserung gegen{\"u}ber herk{\"o}mmlichem Ti6242. Zudem zeigten Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop dichtere und somit besser sch{\"u}tzende Oxidschichten. Bei zyklischer Temperaturbeanspruchung wies die Variante mit Y ein besonders gutes Oxidationsverhalten auf. Die Tiefe der Sauerstoffdiffusionszone wurde {\"u}ber das ermittelte H{\"a}rteprofil im Randbereich des Probenquerschnitts abgesch{\"a}tzt. 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 f{\"u}r den Einsatz als oxidationsbest{\"a}ndige Werkstoffe.",

keywords = "Titanlegierungen, Ausscheidungskinetik, intermetallische Phase, additive Fertigung, thermogravimetrische Analyse, in situ Hochenergie-R{\"o}ntgendiffraktometrie, Oxidationsbest{\"a}ndigkeit, titanium alloys, precipitation kinetics, intermetallic phase, additive manufacturing, thermogravimetric analysis, in situ high-energy X-ray diffraction, oxidation resistance",

author = "Stefan Pfundner",

note = "nicht gesperrt",

year = "2025",

language = "Deutsch",

school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

TY - THES

T1 - Einfluss von Legierungselementen auf die Oxidationsbeständigkeit von near-α-Titanlegierungen für Wire Arc Additive Manufacturing

AU - Pfundner, Stefan

N1 - nicht gesperrt

PY - 2025

Y1 - 2025

N2 - 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.

AB - 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.

KW - Titanlegierungen

KW - Ausscheidungskinetik

KW - intermetallische Phase

KW - additive Fertigung

KW - thermogravimetrische Analyse

KW - in situ Hochenergie-Röntgendiffraktometrie

KW - Oxidationsbeständigkeit

KW - titanium alloys

KW - precipitation kinetics

KW - intermetallic phase

KW - additive manufacturing

KW - thermogravimetric analysis

KW - in situ high-energy X-ray diffraction

KW - oxidation resistance

M3 - Masterarbeit

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