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Verbesserung des Ermüdungsverhaltens von γ-TiAl-Legierungen durch mechanische Oberflächenbehandlung
(2011)
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 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.
Flugzeugtriebwerke und insbesondere deren Schaufeln erfahren im Einsatz einen mechanischen, thermischen und chemischen Angriff, der sich negativ auf die Lebensdauer der Bauteile auswirkt. Zur Erhöhung der Lebensdauer der Triebwerksschaufeln werden diese mit Schutzschichten versehen. Das Hohlkathoden-Gasfluss-Sputterverfahren (GFS) bietet eine Alternative zu den konventionellen Beschichtungsverfahren. Es ist in der Lage, die komplex geformten Bauteile komplett zu beschichten, ohne sie zu manipulieren oder eine zweite Beschichtungsquelle einzusetzen. Durch den Einsatz eines hohen Inertgasstroms gelangt das abgesputterte Material von der Beschichtungsquelle zu den „Non Line of Sight“-Bereichen (NLOS) des Substrats. Mit den Modellwerkstoffen Titan und Wolfram wurde im ersten Teil der Arbeit der Zusammenhang zwischen Schichtmorphologie und Prozessparametern beim GFS untersucht. Im zweiten Teil konnte gezeigt werden, dass die Schichtabscheidung und damit die Fähigkeit NLOS-Bereiche zu beschichten von der Gasströmung abhängen. Dadurch ist es möglich, den Stoffübergang mit der Grenzschicht-Theorie zu erklären und die Gasströmung während des Beschichtungsprozesses zu simulieren.