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Thermo-mechanical fatigue behaviour of the near-γ-titanium aluminide alloy TNB-V5 under uniaxial and multiaxial loading

  • With increasing environmental awareness and the general need to economise on the use of fossil fuels, there is growing pressure for industry to produce lighter, more efficient, gas turbine engines. One such material that will help to achieve these improvements is the intermetallic gamma titanium aluminide (γ-TiAl) alloy. At only half the density of current nickel-based superalloys its weight saving capability is highly desirable, however, its mechanical properties have not yet been fully explored especially, when it is to be considered for structural components in aeronautical gas turbine engines. Critical components in these engines typically experience large variations in temperatures and multiaxial states of stress under non-isothermal conditions. These stress states are known as tri-axial thermo-mechanical fatigue (TMF). The work presented here investigates the effects these multi-axial stresses, have on a γ- TiAl, (Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C) alloy under TMF conditions. The uniaxial,With increasing environmental awareness and the general need to economise on the use of fossil fuels, there is growing pressure for industry to produce lighter, more efficient, gas turbine engines. One such material that will help to achieve these improvements is the intermetallic gamma titanium aluminide (γ-TiAl) alloy. At only half the density of current nickel-based superalloys its weight saving capability is highly desirable, however, its mechanical properties have not yet been fully explored especially, when it is to be considered for structural components in aeronautical gas turbine engines. Critical components in these engines typically experience large variations in temperatures and multiaxial states of stress under non-isothermal conditions. These stress states are known as tri-axial thermo-mechanical fatigue (TMF). The work presented here investigates the effects these multi-axial stresses, have on a γ- TiAl, (Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C) alloy under TMF conditions. The uniaxial, torsional and xialtorsional TMF behaviour of this γ-TiAl alloy have been examined at 400 – 800oC with strain amplitudes ranging from 0.15% to 0.7%. The tests were conducted at both thermomechanical in-phase (IP) and out-of-phase (OP). Selected tests additionally contained a 180 seconds hold period. Fatigue lifetimes are strongly influenced by the strain amplitude, a small increase in amplitude reduces the lifetime considerably. The uniaxial IP tests showed significantly longer fatigue lifetimes than of all the tests performed. Torsional loading although have shorter fatigue lifetimes than the uniaxial IP loading they have longer fatigue lifetimes than the uniaxial OP loading. The non-proportional axial-torsional 90 degree OP test is most damaging which resulted in a shorter lifetime than the uniaxial OP test with the same Mises equivalent mechanical strain amplitude. A hold period at maximum temperatures reduced the lifetime for all tests regardless of the temperature-strain history. The effects of TMF on the microstructure were also investigated. For all types of tests intergranular fracture is predominant. Failure is strongly influenced by environmental conditions. This study compares TMF results of TiAl with previous TMF investigations on the nickelbased alloys IN 738 and Nimonic 90. IN 738 shows similar TMF behaviour to γ-TiAl in that uniaxial IP loading has the longest fatigue lifetimes. Nimonic 90 shows the opposite behaviour to both of these alloys. A lifetime model developed for this near-γ-TiAl alloy, successfully describes all temperaturestrain TMF loading conditions over the test temperature range, with the use of a single loading parameter. The loading parameter is based on the plastic work per cycle, and is not only dependant on the mean tensile stress but also on the maximum principal stress. The loading parameter responds to various strain-temperature-paths differently. It describes the lifetime relation between uniaxial IP and OP loading, axial and torsional loading and the hold period effect.zeige mehrzeige weniger
  • Mit wachsendem Umweltbewusstsein und der allgemeinen Notwendigkeit, die Verwendung von fossilen Brennstoffen zu minimieren, steigt auch in der Industrie der Druck zur verstärkten Anwendung von effizienteren Gasturbinentriebwerken. Die intermetallische Gamma- Titanaluminide (γ-TiAl) Legierung ist ein Material, welches die Effizienz von Gasturbinen steigern kann. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um eine relativ neue Entwicklung, der sich durch geringe Dichte und hohe Festigkeit bei hoher Temperatur auszeichnet und damit das Potenzial hat, die heute verwendeten Ni-Basis-Superlegierungen zu ersetzen. Bauteile in Fluggasturbinen sind üblicherweise variierenden, mehrachsigen Spannungszuständen sowie nicht isothermen Zuständen unterworfen. Turbinenschaufeln sind z. B. vornehmlich dreiachsiger thermo-mechanischer Ermüdung (TMF) ausgesetzt. Dies erfordert eine sorgfältige Charakterisierung des zyklischen Verformungs- und Ermüdungsverhaltens unter komplexen thermischen und mechanischenMit wachsendem Umweltbewusstsein und der allgemeinen Notwendigkeit, die Verwendung von fossilen Brennstoffen zu minimieren, steigt auch in der Industrie der Druck zur verstärkten Anwendung von effizienteren Gasturbinentriebwerken. Die intermetallische Gamma- Titanaluminide (γ-TiAl) Legierung ist ein Material, welches die Effizienz von Gasturbinen steigern kann. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um eine relativ neue Entwicklung, der sich durch geringe Dichte und hohe Festigkeit bei hoher Temperatur auszeichnet und damit das Potenzial hat, die heute verwendeten Ni-Basis-Superlegierungen zu ersetzen. Bauteile in Fluggasturbinen sind üblicherweise variierenden, mehrachsigen Spannungszuständen sowie nicht isothermen Zuständen unterworfen. Turbinenschaufeln sind z. B. vornehmlich dreiachsiger thermo-mechanischer Ermüdung (TMF) ausgesetzt. Dies erfordert eine sorgfältige Charakterisierung des zyklischen Verformungs- und Ermüdungsverhaltens unter komplexen thermischen und mechanischen Belastungen von γ-TiAl. Die vorliegende Arbeit untersucht die Wirkungen, die diese multi-axialen Beanspruchungen, auf eine γ-TiAl, (Ti -45 Al -5 N.B. -0,2 B -0,2 C) Legierung unter thermo-mechanischer Ermüdung haben. Das einachsige, torsions- und axial-torsionale thermo-mechanische Ermüdungsverhalten dieser γ-TiAl Legierung ist bei 400 – 800oC mit Dehnungsamplituden von 0,15% zu 0,7% geprüft worden. Die Tests wurden an beiden thermo-mechanischen Phasen, in-phase (IP) und out-of- phase (OP), durchgeführt und ausgewählte Tests enthielten außerdem eine Haltezeit von 180 Sekunde. Die Lebensdauer hängt stark von der Dehnungsamplitude ab. Ein-achsige Versuche unter IP Bedingungen zeigten bei gleicher mechanischer Dehnung eine längere Lebensdauer als Versuche unter OP-Bedingungen. Unter rein torsionaler Belastung zeigten die Proben bei der gleichen Vergleichsspannungsamplitude eine längere Lebensdauer als in axialen OPVersuchen. Bei nicht-proportionaler axial-torsionaler und thermo-mechanischer OP Versuchsführung ist die Lebensdauer bei gleicher mechanischer Vergleichsdehnungsamplitude geringer als bei ein- achsiger OP-Belastung. Die Wirkungen von TMF auf die Mikrostruktur wurden auch untersucht. Für alle Arten von Tests ist interkristalliner Bruch überwiegend. Ausfallschäden am Material sind stark von Umweltbedingungen beeinflusst. Diese Studie vergleicht Ergebnisse von TMF von TiAl mit vorherigen TMF Untersuchungen von Ni-Basislegierungen, IN 738 und Nimonic 90. IN 738 zeigt ein ähnliches thermomechanisches Verhalten wie γ-TiAl, indem es bei ein-achsiger IP Belastung die längste Lebensdauer hat. Nimonic 90 zeigt ein entgegengesetztes Verhalten im Vergleich zu IN 738 und γ-TiAl. Ein Lebensdauermodell, das für diese near-γ-TiAl Legierung entwickelt wurde, beschreibt erfolgreich alle Dehnungs-Temperatur-Pfade, d. h. das thermo-mechanische Ermüdungs- verhalten im Bereich der Testtemperaturen bei Verwendung eines einzelnen Belastungs- parameters. Der Belastungsparameter basiert auf der plastischen Arbeit pro Zyklus und ist abhängig nicht nur von der von Misesspannung sondern von der mittlern Zugspannung und von der maximalen Hauptspannung. Dieser Belastungsparameter reagiert dann auf verschiedene Dehnungs-Temperatur-Pfade unterschiedlich. Das Modell beschreibt das Lebensdauerverhalten einschließlich der einachsigen IP und OP, der proportional-axial-torsionalen und nicht- proportional axial-torsionalen Beanspruchungspfade, und den Einfluss der Haltezeit.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Stephen Peter Brookes
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (49)
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2009
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Maschinenbau
Gutachter*innen:Birgit SkrotzkiORCiD, Gunther Eggeler
Datum der Abschlussprüfung:16.07.2009
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:49
Erste Seite:1
Letzte Seite:144
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Gamma-Titanaluminide; Multi-axiale Beanspruchung; TNB-V5; thermomechanische Ermüdung (TMF)
Gamma titanium aluminide; axial-torsional loading; thermo-mechanical fatigue (TMF)
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-1095
ISSN:1613-4249
ISBN:978-3-9812910-5-6
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:23.01.2015
Referierte Publikation:Nein
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