Untersuchungen zum Ausscheidungsverhalten von H-Karbiden in einer TiAl-Legierung

Katharina Kirchheimer

Untersuchungen zum Ausscheidungsverhalten von H-Karbiden in einer TiAl-Legierung

Translated title of the contribution: Characterization of the precipitation behaviour of H-carbides in a TiAl alloy

Katharina Kirchheimer

Chair of Physical Metallurgy (420)

Research output: Thesis › Master's Thesis

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Abstract

The aim of this study was to investigate the structure, precipitation and dissolution behaviour of the hexagonal Ti2AlC phase, the so called H-carbides, in an advanced TNM alloy with the chemical composition of Ti-43.5Al-4Nb-1.5Mo-0.5C (all elements in at.%). Titanaluminides compete against conventional highly heat-resistant materials, such as Ni base superalloys or steels, which are commonly used in turbine blades of aircraft engines and as supercharger wheels in combustion engines. The main advantages are a low density, best high-temperature strength, excellent oxidation resistance and no tendencies for “titanium fire”. The investigated material is counted among the group of TNM alloys containing besides titanium and aluminium, also niobium and molybdenum. The main ordered intermetallic phases at room temperature are the γ-phase with a L10 structure, the α2-phase with a hexagonal D019 structure and the cubic βo-Phase with an ordered B2 structure. To increase the working temperature a gain of strength and creep resistance is required, which is reached by carbon addition. Even small amounts of carbon contribute to solid solution and precipitation hardening. By exceeding the solubility limit different carbide phases are precipitated. The determination and investigation of them was the main subject of this study. Transformation temperatures of present phases were determined by using dynamic differential scanning calorimetry measurements and afterwards were verified by selected heat treatment surveys. Targeted in-situ investigations within a high temperature laser scanning confocal microscopy were correlated with electron backscatter diffraction measurement to illustrate the orientation relationship between carbides and the present matrix. So basic knowledge about the formation and behaviour of H-carbides in the investigated TNM alloy was gained and an extended understanding of this alloys was built up.

Translated title of the contribution	Characterization of the precipitation behaviour of H-carbides in a TiAl alloy
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Supervisors/Advisors	Burtscher, Michael, Co-Supervisor (internal) Clemens, Helmut, Supervisor (internal)
Award date	7 Apr 2017
Publication status	Published - 2017

Bibliographical note

embargoed until null

Keywords

TiAl
TNM
Ti2AlC
H-type carbides
high temperature laser scanning confocal microscopy
electron backscatter diffraction
orientation relationship

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title = "Untersuchungen zum Ausscheidungsverhalten von H-Karbiden in einer TiAl-Legierung",

abstract = "Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Struktur sowie das Ausscheidungs- und Aufl{\"o}sungsverhalten der hexagonalen Ti2AlC-Phase, der sogenannten H-Karbide, in einer TNM-Legierung mit der Zusammensetzung Ti-43.5Al-4Nb-1.5Mo-0.5C (Angaben in at.%) untersucht. Titanaluminide konkurrieren mit herk{\"o}mmlichen Hochtemperaturwerkstoffen, wie Nickelbasis-Superlegierungen oder Stahl, die in Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken und Turboladerl{\"a}ufr{\"a}dern in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Zum Eigenschaftsprofil geh{\"o}ren neben einer geringen Dichte, gute mechanische Hochtemperatureigenschaften, eine ausgezeichnete Oxidationsbest{\"a}ndigkeit und die Resistenz gegen Titanfeuer. Der untersuchte Werkstoff z{\"a}hlt zur Gruppe der TNM Legierungen, deren wichtigste Legierungselemente neben Titan und Aluminium, Niob und Molybd{\"a}n sind. Die bei Raumtemperatur auftretenden geordneten intermetallischen Phasen sind die γ-Phase mit einer L10 Struktur, die α2-Phase mit einer hexagonalen D019 Struktur und die kubische βo-Phase mit einer geordneten B2 Struktur. Die Erh{\"o}hung der Einsatztemperaturen erfordert eine Steigerung der Festigkeit und der Kriechbest{\"a}ndigkeit, was gegen{\"u}ber der herk{\"o}mmlichen TNM-Legierung durch die Zugabe von Kohlenstoff erreicht werden kann. Dieser tr{\"a}gt schon in geringem Ma{\ss}e deutlich zur Mischkristall- und Ausscheidungsh{\"a}rtung bei. Wird die L{\"o}slichkeitsgrenze {\"u}berschritten, scheiden sich unterschiedliche Karbidphasen aus, welche Gegenstand dieser Untersuchung waren. Mittels dynamischer Differenzkalorimetrie wurden die Umwandlungstemperaturen der vorliegenden Phasen bestimmt und in darauffolgenden gezielten W{\"a}rmbehandlungsstudien verifiziert. Im Fokus stehen in-situ Untersuchungen mittels Hochtemperatur-Laserkonfokalmikroskop, welche korreliert mit einer Elektronenr{\"u}ckstreubeugungsmessung, die Orientierungsbeziehung der Karbide zur vorliegenden Matrix aufzeigen. Es wurden grundlegende Erkenntnisse {\"u}ber die Entstehung und das Verhalten von H Karbiden in der verwendeten TNM-Legierung gefunden und dadurch das Verst{\"a}ndnis f{\"u}r dieses Legierungskonzept vertieft.",

keywords = "TiAl, TNM, Ti2AlC, H-Karbide, Hochtemperatur-Laserkonfokalmikroskop, Elektronenr{\"u}ckstreubeugungsmessung, Orientierungsbeziehung, TiAl, TNM, Ti2AlC, H-type carbides, high temperature laser scanning confocal microscopy, electron backscatter diffraction, orientation relationship",

author = "Katharina Kirchheimer",

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language = "Deutsch",

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TY - THES

T1 - Untersuchungen zum Ausscheidungsverhalten von H-Karbiden in einer TiAl-Legierung

AU - Kirchheimer, Katharina

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PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Struktur sowie das Ausscheidungs- und Auflösungsverhalten der hexagonalen Ti2AlC-Phase, der sogenannten H-Karbide, in einer TNM-Legierung mit der Zusammensetzung Ti-43.5Al-4Nb-1.5Mo-0.5C (Angaben in at.%) untersucht. Titanaluminide konkurrieren mit herkömmlichen Hochtemperaturwerkstoffen, wie Nickelbasis-Superlegierungen oder Stahl, die in Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken und Turboladerläufrädern in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Zum Eigenschaftsprofil gehören neben einer geringen Dichte, gute mechanische Hochtemperatureigenschaften, eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und die Resistenz gegen Titanfeuer. Der untersuchte Werkstoff zählt zur Gruppe der TNM Legierungen, deren wichtigste Legierungselemente neben Titan und Aluminium, Niob und Molybdän sind. Die bei Raumtemperatur auftretenden geordneten intermetallischen Phasen sind die γ-Phase mit einer L10 Struktur, die α2-Phase mit einer hexagonalen D019 Struktur und die kubische βo-Phase mit einer geordneten B2 Struktur. Die Erhöhung der Einsatztemperaturen erfordert eine Steigerung der Festigkeit und der Kriechbeständigkeit, was gegenüber der herkömmlichen TNM-Legierung durch die Zugabe von Kohlenstoff erreicht werden kann. Dieser trägt schon in geringem Maße deutlich zur Mischkristall- und Ausscheidungshärtung bei. Wird die Löslichkeitsgrenze überschritten, scheiden sich unterschiedliche Karbidphasen aus, welche Gegenstand dieser Untersuchung waren. Mittels dynamischer Differenzkalorimetrie wurden die Umwandlungstemperaturen der vorliegenden Phasen bestimmt und in darauffolgenden gezielten Wärmbehandlungsstudien verifiziert. Im Fokus stehen in-situ Untersuchungen mittels Hochtemperatur-Laserkonfokalmikroskop, welche korreliert mit einer Elektronenrückstreubeugungsmessung, die Orientierungsbeziehung der Karbide zur vorliegenden Matrix aufzeigen. Es wurden grundlegende Erkenntnisse über die Entstehung und das Verhalten von H Karbiden in der verwendeten TNM-Legierung gefunden und dadurch das Verständnis für dieses Legierungskonzept vertieft.

AB - Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Struktur sowie das Ausscheidungs- und Auflösungsverhalten der hexagonalen Ti2AlC-Phase, der sogenannten H-Karbide, in einer TNM-Legierung mit der Zusammensetzung Ti-43.5Al-4Nb-1.5Mo-0.5C (Angaben in at.%) untersucht. Titanaluminide konkurrieren mit herkömmlichen Hochtemperaturwerkstoffen, wie Nickelbasis-Superlegierungen oder Stahl, die in Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken und Turboladerläufrädern in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Zum Eigenschaftsprofil gehören neben einer geringen Dichte, gute mechanische Hochtemperatureigenschaften, eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und die Resistenz gegen Titanfeuer. Der untersuchte Werkstoff zählt zur Gruppe der TNM Legierungen, deren wichtigste Legierungselemente neben Titan und Aluminium, Niob und Molybdän sind. Die bei Raumtemperatur auftretenden geordneten intermetallischen Phasen sind die γ-Phase mit einer L10 Struktur, die α2-Phase mit einer hexagonalen D019 Struktur und die kubische βo-Phase mit einer geordneten B2 Struktur. Die Erhöhung der Einsatztemperaturen erfordert eine Steigerung der Festigkeit und der Kriechbeständigkeit, was gegenüber der herkömmlichen TNM-Legierung durch die Zugabe von Kohlenstoff erreicht werden kann. Dieser trägt schon in geringem Maße deutlich zur Mischkristall- und Ausscheidungshärtung bei. Wird die Löslichkeitsgrenze überschritten, scheiden sich unterschiedliche Karbidphasen aus, welche Gegenstand dieser Untersuchung waren. Mittels dynamischer Differenzkalorimetrie wurden die Umwandlungstemperaturen der vorliegenden Phasen bestimmt und in darauffolgenden gezielten Wärmbehandlungsstudien verifiziert. Im Fokus stehen in-situ Untersuchungen mittels Hochtemperatur-Laserkonfokalmikroskop, welche korreliert mit einer Elektronenrückstreubeugungsmessung, die Orientierungsbeziehung der Karbide zur vorliegenden Matrix aufzeigen. Es wurden grundlegende Erkenntnisse über die Entstehung und das Verhalten von H Karbiden in der verwendeten TNM-Legierung gefunden und dadurch das Verständnis für dieses Legierungskonzept vertieft.

KW - TiAl

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KW - H-Karbide

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KW - Elektronenrückstreubeugungsmessung

KW - Orientierungsbeziehung

KW - TiAl

KW - TNM

KW - Ti2AlC

KW - H-type carbides

KW - high temperature laser scanning confocal microscopy

KW - electron backscatter diffraction

KW - orientation relationship

M3 - Masterarbeit

ER -