Eigenschaftsoptimierung und Prozessfensterbestimmung der γ-(TiAl)-Schmiedelegierung TNB-V4

Optimization of the properties and determination of the processing window for the γ-(TiAl)-alloy TNB-V4

  • Um das volle Eigenschaftspotential von Titanaluminiden auszuschöpfen, ist eine homogene und feinkörnige Mikrostruktur notwendig. Um diese zu erreichen, erweist sich Schmieden als ideal, da so eine Rekristallisation und damit Kornfeinung mit einer Formgebung kombiniert werden kann. Die aktuelle Legierungsentwicklung zielt mit β-stabilisierten Legierungen darauf ab, konventionelle Umformverfahren für die sonst schwer umformbaren γ-TiAl-Legierungen zu erschließen. Dadurch ließe sich eine für den industriellen Einsatz notwendige Kostenreduktion in der Herstellung von geschmiedeten Bauteilen auf Basis von Titanaluminiden erreichen. Aus diesem Grund wurden drei β-stabilsierte Legierungsvarianten gewählt und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Umformbarkeit mit TNB-V2, einer der Legierungen, die den Stand der Technik zu Beginn dieser Arbeit darstellt, verglichen. Als optimal, hinsichtlich der geforderten Eigenschaften, erwies sich die Legierung Ti-44,5Al-6,25Nb-0,8Mo-0,1B, welche im weiteren Verlauf des Projektes als TNB-V4Um das volle Eigenschaftspotential von Titanaluminiden auszuschöpfen, ist eine homogene und feinkörnige Mikrostruktur notwendig. Um diese zu erreichen, erweist sich Schmieden als ideal, da so eine Rekristallisation und damit Kornfeinung mit einer Formgebung kombiniert werden kann. Die aktuelle Legierungsentwicklung zielt mit β-stabilisierten Legierungen darauf ab, konventionelle Umformverfahren für die sonst schwer umformbaren γ-TiAl-Legierungen zu erschließen. Dadurch ließe sich eine für den industriellen Einsatz notwendige Kostenreduktion in der Herstellung von geschmiedeten Bauteilen auf Basis von Titanaluminiden erreichen. Aus diesem Grund wurden drei β-stabilsierte Legierungsvarianten gewählt und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Umformbarkeit mit TNB-V2, einer der Legierungen, die den Stand der Technik zu Beginn dieser Arbeit darstellt, verglichen. Als optimal, hinsichtlich der geforderten Eigenschaften, erwies sich die Legierung Ti-44,5Al-6,25Nb-0,8Mo-0,1B, welche im weiteren Verlauf des Projektes als TNB-V4 bezeichnet wird. Da die notwendigen Prozessparameter für die Umformung der jeweiligen Legierung angepasst werden müssen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein entsprechendes Prozessfenster für TNB-V4 entwickelt. Die optimalen Parameter für eine Umformung sind eine Umformtemperatur im Bereich von 1210 - 1290 °C, eine Umformgeschwindigkeit von < 5∙10^(-3) s^(-1) und ein Umformgrad von φ>65 %. Die sehr hohen Umformtemperaturen und die Affinität zu Sauerstoff machen eine Schutzgasatmosphäre bzw. Vakuum während der Umformung unabdingbar. Aufbauend auf dem feinkörnigen Gefüge nach Umformung lässt sich das Gefüge durch gezieltes Wärmebehandeln hinsichtlich Phasenaufteilung und Gefügeaufbau in gewissen Grenzen den Erfordernissen anpassen. Als ideale Wärmebehandlungsparameter erwiesen sich ein Lösungsglühen bei 1270 °C für eine Stunde mit Luftabkühlung und anschließendes Auslagern bei 800 °C für sechs Stunden mit Ofenabkühlung. Anhand einer Bauteilschmiedung wurde gezeigt, dass das im Labormaßstab entwickelte Prozessfenster auch auf große Bauteile übertragen werden kann. Dies gilt allerdings nicht für die Wärmebehandlung, da die chemische Zusammensetzung der geschmiedeten Bauteile zu stark von den zuvor untersuchten Proben abwich. Um über mehrere Chargen hinweg die gleichen Eigenschaften gewährleisten zu können, müssen daher die Parameter individuell angepasst werden.show moreshow less
  • To get the full potential out of TiAl alloys a homogeneous and fine grained microstructure is necessary. A forging step seems to be ideal because combines the generation of a fine grained microstructure by recrystallization with the forming of the blank. Through the stabilization of β-Phase the possibility exists to use conventional hot working procedures. That is sufficient to lower the production costs of parts in an industrial scale. With that background three β-stabilized alloys were chosen and their mechanical properties and deformation behaviour compared with the TNB-V2 alloy, an alloy out of the previous generation TiAl alloys. Ti-44,5Al-6,25Nb-0,8Mo-0,1B later named by TNB-V4 delivered the best relationship of properties. Since the hot working conditions have to be adapted for every TiAl alloy the conditions for TNB-V4 where determined in this work. That means that forging has to be conducted in the temperature range of 1210 - 1290 °C with a strain rate below < 5∙10^(-3) s^(-1) up to a strain of φ>65 % to achieve a more orTo get the full potential out of TiAl alloys a homogeneous and fine grained microstructure is necessary. A forging step seems to be ideal because combines the generation of a fine grained microstructure by recrystallization with the forming of the blank. Through the stabilization of β-Phase the possibility exists to use conventional hot working procedures. That is sufficient to lower the production costs of parts in an industrial scale. With that background three β-stabilized alloys were chosen and their mechanical properties and deformation behaviour compared with the TNB-V2 alloy, an alloy out of the previous generation TiAl alloys. Ti-44,5Al-6,25Nb-0,8Mo-0,1B later named by TNB-V4 delivered the best relationship of properties. Since the hot working conditions have to be adapted for every TiAl alloy the conditions for TNB-V4 where determined in this work. That means that forging has to be conducted in the temperature range of 1210 - 1290 °C with a strain rate below < 5∙10^(-3) s^(-1) up to a strain of φ>65 % to achieve a more or less homogenous and fine grained microstructure. To prevent oxidation and embrittlement an inert gas atmosphere or vacuum is necessary. To fulfil the requirements on the mechanical properties the achieved fine grained microstructure can be optimized by a final heat treatment. The two step heat treatment consists of a solution annealing step at 1270 °C for one hour followed by air cooling and aging at 800 °C for 6 hours followed by furnace cooling. Finally the designed processing window and heat treatment was applied on an industrial scale forging. The gathered results showed that the processing window can be used to forge large parts. While the sensitivity on chemical composition for the forging step is low the heat treatment can’t be easily applied without exact knowledge of the chemical composition. To get almost the same mechanical properties out of different charges of parts it is necessary to adapt the parameters of the heat treatment on the individual chemical composition every charge.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sebastian Bolz
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35444
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Florian Pyczak
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/06/15
Release Date:2015/08/04
Tag:Kriechen; Mechanische Eigenschaften; TNB-V4; Titanaluminide; Umformung
Creep; Deformation; Mechanical properties; TNB-V4; Titaniumaluminides
GND Keyword:Titanaluminide; Kriechen; Umformen
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Metallkunde und Werkstofftechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Metallkunde und Werkstofftechnik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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