Hochleistungswerkstoffe im Leichtbau. Herstellung, Verarbeitung und Anwendungen am Beispiel von intermetallischen Titanaluminiden

Inhaltsverzeichnis

I. Abstract

III. Abkürzungsverzeichnis

IV. Abbildungsverzeichnis

V. Tabellenverzeichnis

1. Einführung
1.1 Motivation, Aufgabenstellung und Zielsetzung
1.2 Einordnung der Titanaluminide als neuartige Hochleistungswerkstoffe

2 Herstellung, Verarbeitung und Anwendungen von Titanaluminiden
2.1 Mikrostruktur der Titanaluminide
2.1.1 Definition der intermetallischen Phase
2.1.2 Das binäre Ti-Al System
2.1.3 Einfluss von Legierungselementen
2.1.4 Übersicht über γ(TiAl)-Basislegierungen
2.1.5 Verformungsverhalten und Verformungsmechanismen
2.2 Urformverfahren
2.2.1 Pulvermetallurgische Urformverfahren
2.2.2 Schmelzmetallurgische Urformverfahren
2.3 Umformverfahren
2.3.1 Strangpressen
2.3.2 Schmieden von γ(TiAl)
2.3.3 Walzen von γ(TiAl) Blechmaterial
2.3.4 Superplastisches Umformen
2.4 Fügen von γ(TiAl)
2.4.1 Diffusionsschweißen
2.4.2 Reibschweißen
2.4.3 Hartlöten
2.5 Mechanische Bearbeitung
2.6 Diskussion der Verwendung von Bauteilen aus Titanaluminiden in technischen Anwendungen
2.6.1 Verwendung in der Automobiltechnik
2.6.2 Luft- und Raumfahrttechnik

3 Trends und zukünftige Entwicklungen in der Herstellung, Verarbeitung und Anwendung von Titanaluminiden

4 Kritische Reflexion der Ergebnisse

5 Zusammenfassung

6 Literaturverzeichnis

III. Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

IV. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1.1: Vergleich spezifischer Festigkeiten

Abbildung 2.1: Phasendiagramm TiAl

Abbildung 2.2: Kristallstruktur der intermetallischen α2- und γ-Phase (Titan dunkel, Aluminium hell)

Abbildung 2.3: Phasendiagramm mit Gefüge Abbildungen

Abbildung 2.4: Grundsätzlicher Aufbau von γ(TiAl) Basislegierungen der dritten Generation

Abbildung 2.5: Zusammensetzung von TNM-Legierungen

Abbildung 2.6: Potentielle Gleitrichtungen auf der dichtest gepackten {111}-Ebene

Abbildung 2.7: Schematische Darstellung der atomaren Stapelfolge der {111}-Ebene Leere und volle Kreise entsprechen Ti und Al Atomen

Abbildung 2.8: Herstellungsrouten und Bearbeitungsverfahren von γ(TiAl)

Abbildung 2.9: Verarbeitungsrouten für TiAl-Legierungspulver

Abbildung 2.10: PIGA Anlage bei GKSS

Abbildung 2.11: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Pulvers einer γ(TiAl) Legierung (Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B), welches mittels EIGA hergestellt wurde

Abbildung 2.12: Schematische Darstellung einer EBM-Anlage

Abbildung 2.13: Niederdruckturbinenschaufel, hergestellt via EBM

Abbildung 2.14: Via SHS hergestelltes Rotorblatt

Abbildung 2.15: Herstellung von γ(TiAl) Blöcken im industriellen Maßstab durch VAR bei GfE

Abbildung 2.16: Schwerkraftguss

Abbildung 2.17: Schleudergussverfahren zur Herstellung von Turboladerlaufrädern

Abbildung 2.18: Turboladerlaufrad aus TiAl im Schleudergussverfahren hergestellt

Abbildung 2.19: Zweistufiges Strangpressverfahren von γ(TiAl) basierten Werkstoffen

Abbildung 2.20: Herstellungsprozess von Ventilen für den Automobilbau

Abbildung 2.21: Schematische Darstellung des Gefüges während dem Diffusionsschweißen

Abbildung 2.22: Mit einer Stahlwelle verbundenes Turboladerlaufrad

Abbildung 2.23: Auslassventile von hochleistungs-Automotoren

Abbildung 2.24: Konventionelles Triebwerkskonzept (oben) und neu ausgelegtes GTF- Konzept vom Typ PW1100G-JM (unten)

Abbildung 2.25: GEnX Triebwerk von GE für die Boing 787 und 747-

Abbildung 2.26: Sandwichelement mit "gator hide" Wabenstruktur

Abbildung 2.27: „All“ γ(TiAl) Wabenkern und Sandwichelement

Abbildung 2.28: SHEFEX I am Raketenstartplatz auf einer norwegischen Insel

V. Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1: Strukturdaten der γ(TiAl) und der α2-Ti3Al Phase. Die Gitterparameter gelten für die stöchiometrische Zusammensetzungen Ti-50Al bzw. Ti-25Al (at.-%)

Tabelle 2.2: Beispiele für γ(TiAl)-Basislegierungen der 1.-3. Generation

Tabelle 2.3: Phasen des Diffusionsschweißens von γ(TiAl) Basiswerkstoffen

I. Abstract

Recent development activities show a high potential for intermetallic titanium aluminides based on the γ(TiAl) Phase. The main topics are the microstructural description, production, processing and application of TiAl alloys as lightweight structural material. Their low density, their good strength and creep properties, as well as their excellent oxidation resistance up to elevated temperatures represent the advantages for the usage of those alloys in hightemperature aerospace and automotive applications. However, their limited ductility at room temperature restrains the production and processing techniques.

Therefore, the basic microstructural properties of these multiphase materials are described. Ingot and powder metallurgy are the main processing routes, as well as precision casting and additive manufacturing which lead to certain microstructures that can be altered by specific thermomechanical processing or heat treatments. The most important production methods for current applications, such as low-pressure turbine blades and exhaust valves, are character- ized. Furthermore, those applications, including turbocharger impellers for combustion en- gines tend to reduce the emission of vehicles and increase their performance. The production of those components is a complex process. However, the latest TNM alloy which is used in the Airbus A320neo engine and its processing route probably determines the breakthrough of TiAl alloys.

1. Einführung

1.1 Motivation, Aufgabenstellung und Zielsetzung

Die jährliche Umweltbelastung durch internationalen Luftverkehr ist mit ca. 600 Mio Tonnen CO2 erfasst worden. Dem gegenüber und als Vergleich steht ein CO2 Ausstoß eines PKWs von rund 4 Tonnen pro Jahr. Dem Klimawandel, welcher durch den Menschen verursacht wird, trägt der Flugverkehr mit rund 3,5 - 5% bei. Eine besonders hohe Belastung des Luft- raums ist in Ballungszentren oder entlang häufig genutzter Transitrouten messbar. Die An- nahme, dass sich die Transportkapazitäten weltweit alle 15 Jahre verdoppeln, weist auf eine weitere Zunahme des Flugverkehrs hin.¹ Mit einem hohen Energieverbrauch aufgrund global vernetzter Wirtschaft und steigender Mobilität, steigt auch die Umweltbelastung. Weiterhin sind beispielsweise Erdölverbräuche für jedermann täglich erkennbar, während die damit ein- hergehenden, nachhaltigen Umweltschädigungen nur über große Zeiträume ersichtlich wer- den.² Bei der erlaubten Emission von Strahltriebwerken und Verbrennungsmotoren gelten strenge Vorschriften. Erstere sollen beispielsweise laut dem Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE) bis zum Jahr 2020 50% weniger CO2, 80% weniger NOx und 50% weniger Lärm emittieren. Um die Ziele der EU zu erreichen, ist ein durchschnittlicher Kraftstoffverbrauch von 4,5 l/100km bei Diesel- und 5 l/100km bei Ottomotoren notwendig. Dazu sind neue Auslegungs- und Leichtbaukonzepte notwendig, aber auch die Entwicklung von neuen Hochleistungswerkstoffen, welche im Rahmen von fachübergreifenden For- schungs- und Entwicklungsprojekten stattfinden.³

Zukünftige Technologien müssen, um den genannten Anforderungen gerecht zu werden, we- niger Lärm verursachen, Treibstoff effizienter nutzen und den Schadstoffausstoß minimieren.⁴ Gewichtsspezifische Leistungssteigerungen, reduzierte Produktions- und Wartungskosten, sowie erhöhte Lebensdauer und Verlässlichkeit sind dabei maßgebende Anforderungen an High-Tech Anwendungen.⁵ Um dem weitestgehend ausgeschöpften Potential von Nickelle- gierungen in Hochtemperaturanwendungen entgegen zu wirken, ist die Entwicklung neuer, hochfester, leichter und oxidatiosbeständiger Werkstoffe unumgänglich. Dabei rücken Werk- stoffe wie Titanaluminide in den letzten Jahren und Jahrzenten immer mehr in das Zentrum der Entwicklungstätigkeiten.

Die vorliegende Arbeit thematisiert die Herstellung, Verarbeitung und Anwendungen von Titanaluminiden, einem seit den neunziger Jahren vielversprechendem Hochleistungswerkstoff auf Basis von Nichteisenmetallen. Universitäten, Institute und Unternehmen betreiben seit Beginn der Forschungen teilweise sehr hohen Aufwand, um diesen Werkstoff als solchen für den Leichtbau wirtschaftlich produzierbar und verarbeitbar zu gestalten. Maßgebende bisherige Erkenntnisse sollen unter anderem in dieser Arbeit dargestellt werden.

Es ergeben sich folgende zentrale Fragestellungen:

Welche Mikrostrukturen liegen intermetallischen Titanaluminiden zugrunde?

Durch welche Merkmale zeichnen sich Titanaluminide als Hochleistungswerkstoff aus?

Welche Herstellungs- und Verarbeitungsmethoden eigenen sich für den Werkstoff? In welchen Bereichen sind Titanaluminide anwendbar?

Wie groß ist das Potential für künftige Anwendungen und was sind aktuelle Trends für den industriellen Einsatz von Titanaluminiden?

Im Folgenden sollen die besonderen Eigenschaften von Titanaluminiden dargestellt werden, welche den Charakter von Hochleistungswerkstoffen bilden und die Einordnung als solche begründen.

Im Hauptteil der Arbeit wird auf die Herstellung und Verarbeitung ausgewählter Fertigungsprozesse nach DIN 8580 und Anwendungen von Titanaluminiden eingegangen. Dabei werden sowohl verschiedene pulvermetallurgische Herstellungsprozesse, als auch Gießprozesse vorgestellt. Im Kapitel Umformverfahren wird insbesondere auf das Strangpressen, Schmieden und Walzen von Blechmaterial eingegangen. Diffusionsschweißen, Reibschweißen und Hartlöten stellen die zentralen Fügeverfahren von γ(TiAl) Basiswerkstoffen dar. Zuletzt werden die Anwendungsmöglichkeiten von Titanaluminiden im Automobilbau und der Luft- und Raumfahrttechnik vorgestellt. Diese beinhalten unter anderem Verdichter Laufräder von Abgasturboladern und Niederdruckturbinenschaufeln.

Die Arbeit wird mit der Darstellung aktueller Trends und zukünftiger Entwicklungen zur Verarbeitung und Anwendungen des Werkstoffs auf Basis eines Expertengespräches mit Prof. Dr. Helmut Clemens und einer kritischen Reflexion der Ergebnisse abgerundet.

1.2 Einordnung der Titanaluminide als neuartige Hochleistungswerkstoffe

Als Hochleistungswerkstoffe werden nach McKinsey Werkstoffe mit überlegenen Eigen- schaften oder Funktionalitäten bezeichnet.⁶ Anwendung finden sie vor allem als Konstrukti- onswerkstoff für Bauteile oder Baugruppen mit hohen spezifischen Anforderungen seitens der Werkstoffeigenschaften. Die substitutionelle Verwendung anderer Werkstoffe mit anderen charakteristischen Eigenschaften würde zu einem Werkstoffversagen führen. In einer Publika- tion der ThyssenKrupp AG werden beispielsweise Nickellegierungen mit ihren spezifischen Eigenschaften, wie der ausgezeichneten Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit, als Hochleistungswerkstoffe bezeichnet. Hinzu kommen, je nach Legierungszusammensetzung, besondere magnetische Eigenschaften und kontrollierbare thermische Ausdehnung.⁷ Nach dieser Definition können auch Titanaluminide als Hochleistungswerkstoffe eingestuft werden, deren Eigenschaften in nachfolgendem Abschnitt vorgestellt werden.

Greift man die im Flugzeugtriebwerks- und Motorenbau zurzeit verwendeten Konstruktions- werkstoffe, wie beispielsweise Nickel-Superlegierungen, heraus und vergleicht deren mecha- nischen Eigenschaften mit denen der Titanaluminide, werden schnell Vorteile und Nachteile dieser Werkstoffe deutlich. Besonders bei der Betrachtung der spezifischen Festigkeitswerte ist erkennbar, dass die von der Montanuniversität Leoben entwickelten „Advanced Titanium Aluminides“ den konventionellen Titan- und Nickellegierungen überlegen sind, siehe Abbil- dung 1.1.

Das in Abbildung 1.1 beigefügte Diagramm zeigt den Verlauf des spezifischen E-Moduls von γ(TiAl), Inconel (IN625, IN718) und einer Titanlegierung (IMI834) als Funktion der Tempe- ratur. Intermetallische Titanaluminide wurden hauptsächlich für Hochtemperaturtechnologien, wie die Energieerzeugung, das Verkehrswesen und die Luft- und Raumfahrt entwickelt.⁸ Die maximale Einsatztemperatur der Titanaluminide der dritten Generation liegt bei über 950 °C, während die der konventionellen Titanlegierungen nur bei knapp 600 °C liegt.⁹ γ(TiAl) Legie- rungen decken somit den mittleren Temperaturbereich in entsprechenden Anwendungen ab.¹⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Vergleich spezifischer Festigkeiten¹¹

Die Entwicklung von Titanaluminiden erlebte um die Jahrtausendwende einen starken Auf- schwung. Ziel ist es, die beinahe doppelt so schweren Nickel-Basis Superlegierungen in An- wendungen wie Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken, stationären Turbinen oder Welt- raumfahrzeugen zu substituieren.¹² Dabei sind Titanaluminide aufgrund ihrer attraktiven Ei- genschaften die erste Wahl. Die geringe Dichte (3,9-4,1 g/cm³ ), der hohe Schmelzpunkt (ca. 1.450 °C), die hohe spezifische (Kriech-) Festigkeit und Steifigkeit bei höheren Temperatu- ren, die verbesserte Oxidationsbeständigkeit und die geringe Neigung zu Titanfeuer und be- günstigen den Einsatz als innovativen Hochleistungswerkstoff.¹³ Titanfeuer bezeichnet den unkontrollierten Abbrand des Metalls und stellt bei anderen Werkstoffen ein erhebliches Si- cherheitsrisiko dar. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) von Titanaluminiden beträgt rund 170 GPa und erreicht somit fast die Werte herkömmlicher Superlegierungen (IN718: 200 GPa), während konventionelle Titanlegierungen im Vergleich dazu nur einen E-Modul von rund 125 GPa aufweisen.¹⁴ Die Streckgrenze von modernen Titanaluminiden liegt bei über 1000 MPa.¹⁵ Besonders das verringerte Massenträgheitsmoment aufgrund der geringeren Dichte und der hohen Kriechfestigkeit, machen den Werkstoff speziell für die Anwendung in rotierenden und schwingenden Teilen, wie Turbinenschaufeln und Turboladerlaufräder, interessant.¹⁶

Nachteilige Eigenschaften von Titanaluminiden sind die geringe Duktilität bei Raumtempera- tur und die schwere Verarbeitbarkeit.¹⁷

2 Herstellung, Verarbeitung und Anwendungen von Titanaluminiden

2.1 Mikrostruktur der Titanaluminide

Nachdem im vorherigen Kapitel in das Thema eingeführt und Titanaluminide als Hochleis- tungswerkstoffe definiert wurden, wird im Rahmen dieses Kapitels die Eigenschaften von intermetallischen Phasen erläutert, welche auch im System Titan-Aluminium vorliegen. An- schließend erfolgt eine umfangreiche Diskussion des Phasendiagramms TiAl im Bereich des intermetallischen γ(TiAl)s. Dabei wird explizit auf den Gittertyp, die Gefügetypen, Verset- zungsmechanismen, Gitterbaufehler, den Einfluss von Legierungselementen, die Entwicklung von technisch verwendbaren Legierungen und das Verformungsverhalten des Werkstoffes eingegangen.

2.1.1 Definition der intermetallischen Phase

Metallatome können untereinander Verbindungen bilden, aber auch mit anderen Atomarten, wie Halbleitern oder Nichtmetallen. Dabei können intermetallische Phasen entstehen, bei welchen gegenüber den klassischen chemischen Verbindungen (heteropolar, kovalent), die metallische Bindung überwiegt. Aufgrund verschiedener Atomgrößen und Bindungsarten ließen sich bisher rund 5000 intermetallische Phasen identifizieren.¹⁸ Die technisch bedeut- samsten intermetallischen Phasen sind die Hume-Rothery-Phase, die Zintel-Phase und die Laves Phase.

Hume-Rothery-Phasen weisen ein bestimmtes zahlenmäßiges Verhältnis von Valenzelektronen zu Atomen auf. Sie bestehen aus Verbindungen zwischen Gold, Silber, Kupfer und einigen Übergangsmetallen.¹⁹

Die intermetallischen Zintl-Phasen weisen Kristallstrukturen auf. Diese entstehen für manche Verbindungen im Flussspat Gitter. Dabei ist das Verhältnis der beteiligten Atomradien maß- gebend.²⁰

Laves Phasen bestehen aus kristallinen AB2 - Verbindungen. Dabei muss das Radienverhältnis bei sphärischen Bausteinen exakt 1,225 betragen. Es können je nach Anzahl der Valenzelektronen kubische oder hexagonale Strukturen auftreten.²¹

Die in dieser Arbeit betrachteten Titanaluminide basieren auf der intermetallischen γ(TiAl) Phase.

[...]

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¹ vgl. Clemens (2008), S. 337; Brot für die Welt; germanwatch

² vgl. Clemens (2008), S. 337

³ vgl. Clemens/Mayer (2011), S. 255 vgl. Clemens/Mayer (2016), S. 1

⁴ vgl. Clemens (2008), S. 337

⁵ vgl. Wortberg (2003), S. 1 f.

⁶ vgl. Elsner/Stuchtey (03.2015), S. 31

⁷ vgl. ThyssenKrupp AG, S. 24

⁸ vgl. Appel/Clemens (2006); Clemens/Mayer (2011), S. 255

⁹ vgl. Peters/Clemens, S. 406

¹⁰ Maier u.a. (2015)

¹¹ Clemens/Mayer (2011), S. 256

¹² vgl. Lagos u.a. (2014), S. 77

¹³ vgl. Clemens/Mayer (2011), S. 256

¹⁴ Maier u.a. (2015); Backhaus (2014)

¹⁵ vgl. Leyens/Peters (2005)

¹⁶ vgl. Clemens/Mayer (2015), S. 513

¹⁷ vgl. Peters/Clemens, S. 406 f.

¹⁸ vgl. Hornbogen/Warlimont (2016), S. 40

¹⁹ vgl. Hornbogen/Warlimont (2016), S. 41

²⁰ vgl. Hornbogen/Warlimont (2016), S. 41

²¹ vgl. Latscha/Kazmaier (2016), S. 87