Mechanisms of carbide precipitation and carbon solubility in high Nb containing TiAl Alloys

Kohlenstofflöslichkeit und Mechanismen der Karbidausscheidung in hochniobhaltigen TiAl-Legierungen

  • 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.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.show moreshow less
  • TiAl-Legierungen mit hohem Nb-Gehalt werden in letzter Zeit für Anwendungen in der Luftfahrt und dem Automobilbereich eingeführt. Dabei profitieren sie von ihren exzellenten Hochtemperatureigenschaften. In der Literatur wird berichtet, dass sich durch die Zugabe von Kohlenstoff die Festigkeit und der Kriechwiderstand weiter steigern lässt, wobei Kohlenstoff entweder als Mischkristallhärter oder über die Ausscheidung von Karbiden wirkt. In dieser Arbeit werden pulvermetallurgisch hergestellte TiAl-Legierungen der Zusammensetzung Ti-45Al-5Nb-xC (x=0, 0.5 0.75 und 1.0 at. %) systematisch im Anschluss an verschiedene Wärmebehandlungen untersucht. Der wichtige Temperaturbereich liegt dabei zwischen 800 und 1000°C, da dies typische Temperaturen in der Anwendung und für Wärmebehandlungen sind. Es zeigte sich, dass Kohlenstoff die Phasenübergänge in Ti-45Al-5Nb beeinflusst und dass die Zugabe von Niob Auswirkungen auf die Kohlenstofflöslichkeit bei hohen Temperaturen haben kann. Die Kohlenstofflöslichkeit in Ti-45Al-5Nb ist größer als 1.0 at.TiAl-Legierungen mit hohem Nb-Gehalt werden in letzter Zeit für Anwendungen in der Luftfahrt und dem Automobilbereich eingeführt. Dabei profitieren sie von ihren exzellenten Hochtemperatureigenschaften. In der Literatur wird berichtet, dass sich durch die Zugabe von Kohlenstoff die Festigkeit und der Kriechwiderstand weiter steigern lässt, wobei Kohlenstoff entweder als Mischkristallhärter oder über die Ausscheidung von Karbiden wirkt. In dieser Arbeit werden pulvermetallurgisch hergestellte TiAl-Legierungen der Zusammensetzung Ti-45Al-5Nb-xC (x=0, 0.5 0.75 und 1.0 at. %) systematisch im Anschluss an verschiedene Wärmebehandlungen untersucht. Der wichtige Temperaturbereich liegt dabei zwischen 800 und 1000°C, da dies typische Temperaturen in der Anwendung und für Wärmebehandlungen sind. Es zeigte sich, dass Kohlenstoff die Phasenübergänge in Ti-45Al-5Nb beeinflusst und dass die Zugabe von Niob Auswirkungen auf die Kohlenstofflöslichkeit bei hohen Temperaturen haben kann. Die Kohlenstofflöslichkeit in Ti-45Al-5Nb ist größer als 1.0 at. % bei 1400°C, aber nimmt auf 0.5 bis 0.75 at. % bei 1000°C ab und weniger als 0.5 at. % ist bei 800°C löslich. Die Ausscheidungssequenz von Karbiden sowie die Entwicklung der Karbidmorphologie werden im Detail diskutiert. Die thermische Stabilität von P-Ti3AlC Karbiden in Ti-45Al-5Nb-xC Legierungen ist erhöht, was ein Effekt des hohen Niobgehaltes oder des hohen Kohlenstoffgehaltes oder eine Kombination von beiden sein kann. Nach der Wärmebehandlung wurden keine H-Karbide mehr in Ti-45Al-5Nb-0.5C und Ti-45Al-5Nb-0.75C gefunden. Die Zugabe von Nb erhöht vermutlich die Bildungstemperatur der H-Ti2AlC Karbidphase.show moreshow less

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Metadaten
Author: Wang, Li
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30392
Referee / Advisor:Prof. Dr. Pyczak, Florian, Prof. Dr. Clemens, Helmut
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/05/23
Release Date:2014/07/14
Tag:Hochenergie-Röntgenbeugung; Hochniobhaltige TiAl-Legierungen; Karbide; Thermische Stabilität; Transmissionselektronenmikroskopie
Carbide; High Nb containing TiAl alloys; High-energy X-ray diffraction; Thermal stability; Transmission electron microscope
GND Keyword:Carbide; Temperaturbeständigkeit; Titanaluminide
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Mikrostrukturelles Werkstoffdesign
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Mikrostrukturelles Werkstoffdesign
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.