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TiAl alloys with a high addition of Nb have recently been applied in the aerospace and automotive fields due to their excellent high-temperature properties. The C additions to TiAl alloys have been reported to improve their strength and creep resistance through solid-solution hardening and / or precipitation hardening. In this work powder metallurgy (PM) based Ti-45Al-5Nb-xC (x=0, 0.5 0.75 and 1.0 at. %) alloys were systematically investigated after different heat treatments. The research is mainly concerned with the temperature range from 800 to 1000ºC which is interesting for processing as well as applications. The results show that the addition of C influences the phase transformations in Ti-45Al-5Nb and that the addition of Nb may influence the carbon solubility in TiAl alloys at high temperatures. The carbon solubility in Ti-45Al-5Nb is > 1.0 at. % at 1400°C, but between 0.5 and 0.75 at. % at 1000°C, and less than 0.5 at. % at 800°C. The carbide precipitation and development of carbide morphology are discussed in great detail. The thermal stability of P-Ti3AlC carbides in Ti-45Al-5Nb-xC alloys is increased, which might be attributed to the addition of high amounts of Nb, or the high amount of carbon, or a combination of both. In heat-treated Ti-45Al-5Nb-0.5C and Ti-45Al-5Nb-0.75C, H-type carbides are not detected to form during annealing. The addition of Nb may increase the formation temperature of the H-Ti2AlC precipitate phase.
Development of creep resistant titanium aluminide alloys for the Metal Injection Moulding process
(2014)
Titanium aluminides show great technological potential due to their light weight and excellent creep resistance. Their utilisation thus offers a potential to decrease fuel consumption and simultaneously improve the performance of components subjected to stress at high temperatures. However, shaping of titanium aluminides is still a very challenging and costly task considering their brittleness and the sensitivity on chemical composition. Therefore powder metallurgy near-net shape manufacturing techniques are very attractive to decrease material waste and reduce overall processing costs.
This research work was focused on the preparation, characterisation and optimisation of creep resistant titanium aluminides for the Metal Injection Moulding (MIM) process. Considering the little information available regarding processing of titanium aluminides by MIM, this work had firstly the goal of assessing the creep behaviour of a reference titanium aluminide alloy. Secondly, alloy variations with compositions based on the reference material were designed with the objective of improving the creep resistance, especially concerning primary creep. The basic strengthening mechanisms applied involved the addition of slow diffusing elements and elements that cause precipitation of hard particles.
The specimens were prepared by using pre-alloyed powder and mixtures of a master alloy (pre-alloyed) and elemental powders. Consequently, a great deal of effort was spent in the characterisation of the sintering behaviour in order to achieve reliable test pieces. Even though both methods can deliver sound specimens, the pre-alloyed powder approach led to the best results in terms of residual porosity and microstructural homogeneity.
The mechanical testing results indicate that processing of titanium aluminides by MIM is feasible and acceptable creep properties can be achieved with the proper sintering parameters. Even though the ductility at room temperature was considerably limited due to the residual porosity and high amounts of impurities intrinsic to the MIM process, alloys developed within this study showed improved primary creep resistance in the high stress – high temperature regime. In particular alloy variations containing additions of Mo, Si and Gd led to a considerable improvement of the primary creep resistance in comparison to the reference material at 800°C – 350 MPa loading.
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-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.