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Development of creep resistant titanium aluminide alloys for the Metal Injection Moulding process

Entwicklung kriechfester Titanaluminid-Legierungen für das Metallpulverspritzguss-Verfahren

  • 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 wereTitanium 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.show moreshow less
  • Titanaluminide zeigen ein großes technologisches Potenzial durch ihre geringe Dichte und hervorragende Kriechfestigkeit. Deswegen kann durch ihre Verwendung der Kraftstoffverbrauch reduziert und gleichzeitig die Gesamtleistung von mechanisch belasteten Hochtemperaturkomponenten verbessert werden. Die Formgebung von Titanaluminiden ist jedoch noch ein sehr schwieriger und kostenintensiver Prozess, vor allem aufgrund der Sprödigkeit und der starken Abhängigkeit der Eigenschaften von der chemischen Zusammensetzung. Daher sind pulvermetallurgische „near-net shape“ Fertigungstechniken sehr attraktiv in Bezug auf Reduzierung des Materialabfalls und der Gesamtverarbeitungskosten. Inhalt diese Arbeit war die Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von kriechfesten Titanaluminiden für das Metallpulverspritzguss-Verfahren (Metal Injection Moulding – MIM). Angesichts der wenigen existierenden Informationen über die Verarbeitung von Titanaluminiden durch MIM war das erste Ziel dieser Arbeit die Ermittlung des Kriechverhaltens einerTitanaluminide zeigen ein großes technologisches Potenzial durch ihre geringe Dichte und hervorragende Kriechfestigkeit. Deswegen kann durch ihre Verwendung der Kraftstoffverbrauch reduziert und gleichzeitig die Gesamtleistung von mechanisch belasteten Hochtemperaturkomponenten verbessert werden. Die Formgebung von Titanaluminiden ist jedoch noch ein sehr schwieriger und kostenintensiver Prozess, vor allem aufgrund der Sprödigkeit und der starken Abhängigkeit der Eigenschaften von der chemischen Zusammensetzung. Daher sind pulvermetallurgische „near-net shape“ Fertigungstechniken sehr attraktiv in Bezug auf Reduzierung des Materialabfalls und der Gesamtverarbeitungskosten. Inhalt diese Arbeit war die Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von kriechfesten Titanaluminiden für das Metallpulverspritzguss-Verfahren (Metal Injection Moulding – MIM). Angesichts der wenigen existierenden Informationen über die Verarbeitung von Titanaluminiden durch MIM war das erste Ziel dieser Arbeit die Ermittlung des Kriechverhaltens einer Referenz-Titanaluminid-Legierung. Zweitens wurden Legierungsvarianten auf Basis des Referenzmaterials mit dem Ziel der Verbesserung der Kriechfestigkeit hergestellt, insbesondere in Bezug auf primäres Kriechen. Das Design der Legierungsvarianten basierte dabei auf der Anwendung folgender grundlegender Verstärkungsmechanismen: Zugabe von langsam diffundierenden Elementen und von Elementen, die härtende Ausscheidung bilden können. Die Proben wurden entweder aus vorlegierten Pulvern oder Mischungen aus einer Masterlegierung (vorlegiert) und Elementarpulvern hergestellt. Um eine Überlagerung von fertigungsbedingten Faktoren, wie hohe Porosität, auf die ermittelten mechanischen Eigenschaften auszuschließen, wurde zuerst eine intensive Charakterisierung des Sinterverhaltens durchgeführt. Obwohl mit beiden Methoden geeignete Proben herstellbar waren, führte die Verwendung von vorlegierten Pulvern zu den besten Ergebnissen in Bezug auf Restporosität und Gefüge-Homogenität. Die Ergebnisse der mechanischen Versuche zeigen, dass die Verarbeitung von Titanaluminiden durch MIM möglich ist und eine mit etablierten Herstellungsverfahren konkurrenzfähige Kriechfestigkeit mit den richtigen Sinterparametern erreicht werden kann. Obwohl sich die mit dem MIM Verfahren verbundene Restporosität und den relativ hohen Gehalt an Verunreinigungen negativ auf die Raumtemperaturduktilität auswirkten, zeigten die neuen Legierungen eine verbesserte primäre Kriechfestigkeit im Bereich hoher Spannungen und Temperaturen. Insbesondere die Legierungsvarianten, die Zusätze von Mo, Si und Gd enthalten, führten zu einer erheblichen Verbesserung der primären Kriechbeständigkeit im Vergleich zum Referenzmaterial bei 800°C und 350 MPa Belastung. show moreshow less

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Metadaten
Author: Juliano Soyama
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31610
Referee / Advisor:Prof. Dr. Florian Pyczak
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/10/02
Release Date:2014/10/17
Tag:Kriechen; Metallpulverspritzguss; Titanaluminide
Creep; Metal Injection Moulding; Titanium Aluminides
GND Keyword:Titanaluminide; Kriechen; Metallpulver; Spritzgießen
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Hybride Fertigung
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Konstruktion und Fertigung
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung (cc by-nc-nd) 3.0
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