Verbesserung des Ermüdungsverhaltens von γ-TiAl-Legierungen durch mechanische Oberflächenbehandlung

Improvement of fatigue behavior of γ-TiAl-Alloys by means of mechanical surface treatment

  • Gegenstand der Arbeit war die Untersuchung mechanischer Oberflächenbehandlungen zur Verbesserung des Ermüdungsverhaltens von hochfesten γ-TiAl-Legierungen TNB-V2 und TNB-V5. Zu diesem Zweck wurden die Verfahren Kugelstrahlen und Festwalzen angewendet. Die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens erfolgte unter Umlaufbiegebeanspruchung bei Raumtemperatur (R = -1, 60 Hz). Für die Bewertung des Verfestigungspotentials durch mechanische Oberflächenbehandlung wurden die prozessinduzierten Randschichteigenschaften wie Rauheit, Eigenspannungen, Mikrohärte, Halbwertsbreite und Mikrostrukturänderungen in Abhängigkeit von Verfahrensparametern analysiert. Im Hinblick auf die vorgesehenen Hochtemperaturanwendungen von Titanaluminiden wurden außerdem Untersuchungen zur Stabilität der Randschichtverfestigung gegenüber thermischer Erholung und Ausheilung durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass durch Kugelstrahlen zyklisch stabile Druckeigenspannungen in der Randschicht erzeugt werden, wodurch eine deutliche Verbesserung derGegenstand der Arbeit war die Untersuchung mechanischer Oberflächenbehandlungen zur Verbesserung des Ermüdungsverhaltens von hochfesten γ-TiAl-Legierungen TNB-V2 und TNB-V5. Zu diesem Zweck wurden die Verfahren Kugelstrahlen und Festwalzen angewendet. Die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens erfolgte unter Umlaufbiegebeanspruchung bei Raumtemperatur (R = -1, 60 Hz). Für die Bewertung des Verfestigungspotentials durch mechanische Oberflächenbehandlung wurden die prozessinduzierten Randschichteigenschaften wie Rauheit, Eigenspannungen, Mikrohärte, Halbwertsbreite und Mikrostrukturänderungen in Abhängigkeit von Verfahrensparametern analysiert. Im Hinblick auf die vorgesehenen Hochtemperaturanwendungen von Titanaluminiden wurden außerdem Untersuchungen zur Stabilität der Randschichtverfestigung gegenüber thermischer Erholung und Ausheilung durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass durch Kugelstrahlen zyklisch stabile Druckeigenspannungen in der Randschicht erzeugt werden, wodurch eine deutliche Verbesserung der Wechselfestigkeit gegenüber dem elektrolytisch polierten Referenzzustand erreicht wird. Festwalzen hat keine Auswirkung auf die Dauerfestigkeit, was auf den nahezu nicht vorhandenen Mikrohärteanstieg direkt an der Oberfläche sowie auf den Abbau von Druckeigenspannungen nach wenigen Zyklen zurückzuführen ist. Spanende Bearbeitung durch Drehen führt zu vergleichbaren Randschichtverfestigungen mit ähnlicher Tiefenwirkung wie beim Kugelstrahlen, sowie zu einem deutlichen Anstieg der Wechselfestigkeit gegenüber dem Referenzzustand. Im Temperaturbereich zwischen 500 °C und 650 °C werden die Druckeigenspannungen schnell abgebaut, so dass die Oberflächenrauheit von entscheidender Bedeutung wird. Die verbleibende Randschichtverfestigung ist effektiver, wenn die Oberflächenrauheit reduziert wird, so dass das Abpolieren der Oberfläche nach dem Kugelstrahlen empfehlenswert ist. Oberhalb 700 °C ist die Randschichtverfestigung durch Kugelstrahlen nicht mehr effektiv, da die induzierten Punktdefekte sehr schnell ausheilen und in der verformten Randschicht Rekristallisationsvorgänge ablaufen.show moreshow less
  • The main subject of this work was the investigation of mechanical surface treatments for improvement of fatigue behaviour of high strength γ-TiAl alloys TNB-V2 and TNB-V5. For this purpose shot peening and roller burnishing were applied. Rotating bending fatigue tests were carried out with R=-1 at a frequency of 60 s-1. For evaluation of hardening potential as a result of mechanical surface treatment the near-surface properties of different surface conditions were analyzed. Thereby such characteristics as surface roughness, residual stress profiles, microhardness, half-width breadth and microstructural changes were determined. With regard to desired application of titanium aluminides at high temperatures the influence of thermal exposure on the near-surface properties and resulting fatigue strength was investigated. The results of this work show that shot peening leads to a development of cyclically stable residual compressive stresses in the near-surface region and as a result to a significant improvement of fatigue performance inThe main subject of this work was the investigation of mechanical surface treatments for improvement of fatigue behaviour of high strength γ-TiAl alloys TNB-V2 and TNB-V5. For this purpose shot peening and roller burnishing were applied. Rotating bending fatigue tests were carried out with R=-1 at a frequency of 60 s-1. For evaluation of hardening potential as a result of mechanical surface treatment the near-surface properties of different surface conditions were analyzed. Thereby such characteristics as surface roughness, residual stress profiles, microhardness, half-width breadth and microstructural changes were determined. With regard to desired application of titanium aluminides at high temperatures the influence of thermal exposure on the near-surface properties and resulting fatigue strength was investigated. The results of this work show that shot peening leads to a development of cyclically stable residual compressive stresses in the near-surface region and as a result to a significant improvement of fatigue performance in comparison to electropolished reference state. Roller burnishing does not contribute to improvement of fatigue strength. The reason for this is almost no increase of microhardness directly on the surface as well as residual stress relaxation after a few cycles. Conventional turning leads to high dislocation densities and residual compressive stresses in the near-surface region resulting in a considerable increase of fatigue strength similar to shot peening. In temperature range between 500 °C and 650 °C a rapid relaxation of compressive residual stresses occurs, so that surface roughness is of vital importance. The remaining surface hardening is more effective when the surface roughness is reduced, so that the polishing of the surface after shot peening is recommended. At application temperatures above 700 °C shot peening does not contribute to improvement of fatigue performance due to a quick relaxation of point defects and recrystallization processes in the near-surface area.show moreshow less

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Metadaten
Author: Glavatskikh, Maria
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22916
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Leyens, Christoph
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2011
Date of final exam:2011/10/06
Release Date:2011/12/06
Tag:Ermüdungsverhalten; Festwalzen; Kugelstrahlen; Mechanische Oberflächenbehandlung; Titanaluminide
Fatigue behaviour; Mechanical surface treatment; Roller burnishing; Shot peening; Titanium aluminides
GND Keyword:Aluminiumlegierung; Materialermüdung; Oberflächenbehandlung; Titanlegierung
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