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.
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. 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 einhergehenden, nachhaltigen Umweltschädigungen nur über große Zeiträume ersichtlich werden. Bei der erlaubten Emission von Strahltriebwerken und Verbrennungsmotoren gelten strenge Vorschriften. Um die Ziele der EU zu erreichen, sind neue Auslegungs- und Leichtbaukonzepte notwendig, aber auch die Entwicklung von neuen Hochleistungswerkstoffen, welche im Rahmen von fachübergreifenden Forschungs- und Entwicklungsprojekten stattfinden. Zukünftige Technologien müssen, um den genannten Anforderungen gerecht zu werden, weniger Lärm verursachen, Treibstoff effizienter nutzen und den Schadstoffausstoß minimieren. Gewichtsspezifische Leistungssteigerungen, reduzierte Produktions- und Wartungskosten, sowie erhöhte Lebensdauer und Verlässlichkeit sind dabei maßgebende Anforderungen an High-Tech Anwendungen. Dabei rücken Werkstoffe wie Titanaluminide in den letzten Jahren und Jahrzenten immer mehr in das Zentrum der Entwicklungstätigkeiten.
Im Hauptteil der Arbeit wird auf die Herstellung und Verarbeitung ausgewählter Fertigungsprozesse nach DIN 8580 und Anwendungen von Titanaluminiden eingegangen. Die Arbeit wird mit der Darstellung aktueller Trends und zukünftiger Entwicklungen zur Verarbeitung und Anwendungen des Werkstoffs auf Basis eines und einer kritischen Reflexion der Ergebnisse abgerundet.
Inhaltsverzeichnis
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
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, den aktuellen Wissensstand zu Titanaluminiden als Hochleistungswerkstoffe im Leichtbau zusammenzufassen und dabei deren spezifische Eigenschaften, Herstellungsrouten sowie industrielle Anwendungsbereiche, insbesondere in der Automobil- und Luftfahrttechnik, kritisch zu beleuchten.
- Grundlagen der Mikrostruktur von intermetallischen Titanaluminiden
- Vergleich und Einordnung als neuartige Hochleistungswerkstoffe
- Analyse pulvermetallurgischer und schmelzmetallurgischer Herstellungsverfahren
- Diskussion aktueller Trends und industrieller Einsatzmöglichkeiten
Auszug aus dem Buch
2.1.2.1 Gefügetypen von Titanaluminiden
Der Anteil und die Verteilung der α2-Ti3Al und der γ(TiAl) Phase können nicht nur durch die Wirkung der verschiedenen Legierungselemente, sondern auch durch Verarbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren beeinflusst werden. So können je nach Wahl der Parameter bei TiAl-Legierungen die vier Gefügetypen Near-Gamma, Duplex, Nearly-Lamellar und Fully-Lamellar unterschieden werden. Licht- und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen sind in Abbildung 2.3 abgebildet.
Das Near-Gamma Gefüge entsteht bei dem Glühvorgang von feinkörnigem Ausgangsmaterial knapp oberhalb der eutektoiden Temperatur von ca. 1125 °C. Es besteht aus äquiaxialen γ(TiAl)-Körnern mit einer typischen Korngröße von 15-30 µm. Der Anteil der α2-Ti3Al Phase beträgt weniger als fünf Prozent.
Beim Glühen des Werkstoffs in der Mitte des (α+γ)-Phasengebietes steigt der Anteil der α2-Ti3Al Phase und es entsteht das Duplex Gefüge. Es liegt ein nahezu gleicher Anteil von γ Körnern und lamellaren (γ+α2) Kolonien vor. Zusätzlich findet sich ein kleiner Anteil der α2-Ti3Al Phase an den Korngrenzen. Die durchschnittliche Korngröße liegt bei etwa 15-50 µm.
Mit zunehmender Temperatur nimmt der Anteil der lamellaren Körner zu. Dementsprechend liegt knapp unterhalb der α-Transus Temperatur das Nearly Lamellar Gefüge vor. Es setzt sich aus mittelgroßen Lamellenpaketen und fein verteilten γ(TiAl)-Körnern zusammen, deren Anteil weniger als 20% beträgt. Die Korngröße liegt hier bei mehr als 100 µm im Durchschnitt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung: Die Arbeit motiviert die Untersuchung von Titanaluminiden aufgrund des Leichtbaupotenzials zur Senkung von Umweltbelastungen im Luftverkehr und definiert die zentralen Forschungsfragen.
2 Herstellung, Verarbeitung und Anwendungen von Titanaluminiden: Dieses Kapitel erläutert tiefgehend die Mikrostrukturen, Herstellungsrouten (Urformen, Umformen, Fügen) und die spezifische Anwendung von Bauteilen in der Automobil- und Luftfahrttechnik.
3 Trends und zukünftige Entwicklungen in der Herstellung, Verarbeitung und Anwendung von Titanaluminiden: Ein Ausblick auf die industrielle Durchsetzung der Werkstoffe, verglichen mit der Entwicklung einkristalliner Schaufeln.
4 Kritische Reflexion der Ergebnisse: Kritische Bewertung der Literaturrecherche, der Aktualität der Quellen sowie Herausforderungen durch unternehmensinterne Geheimhaltungsregelungen.
5 Zusammenfassung: Abschließende Synthese der Erkenntnisse zu Eigenschaften, Fertigungsverfahren und dem technologischen Durchbruch von Titanaluminiden.
Schlüsselwörter
Titanaluminide, Leichtbau, Mikrostruktur, γ(TiAl), Pulvermetallurgie, Schmelzmetallurgie, Hochleistungswerkstoffe, Turbinenschaufeln, Turboladerlaufräder, Kriechfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Umformverfahren, Fügetechnik, TNM-Legierungen, TNB-Legierungen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit Titanaluminiden als modernen Hochleistungswerkstoffen, die vor allem im Leichtbau für temperaturbelastete Anwendungen eingesetzt werden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Themen umfassen die Mikrostruktur, diverse Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse sowie die spezifischen Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.
Was ist das Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, den industriellen Stand von Titanaluminiden darzustellen und zu klären, wie diese Werkstoffe als Leichtbaulösung wirtschaftlich und technisch sinnvoll eingesetzt werden können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine systematische Literaturanalyse, die durch Informationen aus Expertengesprächen ergänzt wurde.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die werkstoffkundlichen Grundlagen, Fertigungsverfahren (Urformen, Umformen, Fügen) und eine detaillierte Anwendungsdiskussion.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Titanaluminide, γ(TiAl), Pulvermetallurgie, Leichtbau und Hochtemperaturanwendungen charakterisiert.
Warum sind Titanaluminide im Flugzeugbau so relevant?
Sie bieten eine hohe spezifische Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen, wodurch sie schwere Nickel-Basis-Superlegierungen in Triebwerksschaufeln ersetzen können.
Welche Rolle spielt die dritte Generation der Legierungen?
Sie enthalten optimierte Legierungselemente (z.B. TNM/TNB), die eine bessere Verarbeitbarkeit und mechanische Eigenschaften bieten, was den industriellen Einsatz erst möglich macht.
- Quote paper
- Michael Maldoner (Author), 2016, Hochleistungswerkstoffe im Leichtbau. Herstellung, Verarbeitung und Anwendungen am Beispiel von intermetallischen Titanaluminiden, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/336195
