Entwicklung von Schmelz- und Erstarrungsverfahren zur Herstellung aluminiumreicher Al-Ti Legierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Aufgaben von ACCESS innerhalb des Verbundprojektes „Al-reiche Al-Ti-Legierungen“ bestanden einerseits in der Herstellung und Bereitstellung von schleudergegossenen Proben als Ausgangsmaterial für die Projektpartner und andererseits in der Erzeugung möglichst großer, eindomäniger Bereiche mittels gerichteter Erstarrung. Im Vorhabensverlauf wurden die Legierungen Al60-Ti40, Al62-Ti38 und Al62-Ti36-Nb2 im KIT-Schleudergussverfahren erfolgreich abgegossen und entsprechende Proben in Zugstabgeometrien an die Projektpartner weitergegeben. Auf die Herstellung der ursprünglich geplanten Legierungsvariante Ti-62 at.% Al + 2 at.% Cr wurde in Absprache mit den Projektpartnern verzichtet. Einzelne Schleudergussproben wurden für Experimente zur gerichteten Erstarrung verwendet. Die gerichtete Erstarrung wurde mit dem Ziel der Herstellung möglichst großer einkristalliner Bereiche auf Basis folgender Ansätze optimiert: Kornselektion in Abhängigkeit von Erstarrungsgeschwindigkeit und Temperaturgradient bei Bridgmanversuchen (nur für binäre Legierungsvarianten) Ankeimen an einen selbsterzeugten Keimling (in Bridgmanversuchen, nur binäre Legierungsvarianten) Zonenschmelzen (Unterauftrag IFW Dresden) für alle Legierungsvarianten Die Herstellung von für die Partner geeigneten Proben erwies sich im Bridgman-Prozess als unerwartet schwierig aufgrund von Rissbildung in den Proben aufgrund mangelnder Duktilität und hoher Reaktivität der Schmelze mit Yttrium- und Aluminiumoxidtiegeln kombiniert mit einer sehr niedrigen Löslichkeit von Sauerstoff im Festkörper und langen Standzeiten der Schmelze. Folgende Lösungswege wurden untersucht: Verringerung des Temperaturgradienten zur Verkleinerung thermomechanischer Spannungen mit dem Ergebnis o makroskopisch rissfreier Probenstücke o erhöhter Dichte und Größe von Festkörperausscheidungen (aufgrund der höheren Temperaturen und längeren Standzeiten), die bei der Weiterverarbeitung als unerwünschte Rissinitiatoren wirken o kleinerer Domänengrößen aufgrund schlechterer Kornselektion Voroxidation der Proben zur Erzeugung einer Eigenoxidschutzschicht vor der gerichteten Erstarrung. Ergebnis hier ist eine starke Verringerung der Reaktion mit dem Tiegel. Aufgrund der geringen Menge von Ausscheidungen/Rissinitiatoren konnte die Rissbildungsneigung in den Proben reduziert jedoch nicht eliminiert werden. Da sich im ersten Projektabschnitt herauskristallisierte, dass sich durch gerichtete Erstarrung im Tiegel kein für die Projektpartner ausreichend einschlussfreies, einkristallines Probenmaterial herstellen ließ, wurden alternativ aus den drei Legierungen Einkristalle im optischen Zonenenschmelzverfahren tiegelfrei am IFW Dresden gezüchtet und auf diesem Weg den Projektpartnern hochreines einkristallines Material zu Verfügung gestellt (Unterauftrag von ACCESS ans IFW Dresden). Gießfähigkeit: aufgrund der relativ starken Reaktion mit verschiedenen Keramiken in Kombination mit der geringen Löslichkeit von Sauerstoff im Festkörper kommen für Al-reiche TiAl-Legierungen sinnvollerweise nur Aufschmelzen im KIT (Kaltwandinduktionstiegel) und Abguss in Formen in Frage, bei denen eine schnelle Erstarrung ohne lange Kontaktzeiten zwischen Schmelze und Form/Tiegel stattfindet, d.h. z.B. Schleuderguss in eine Niob-Dauerform bei kleinen einfachen Gussteilen oder in eine keramische Feingussformschale. Mit der Kombination von KIT und Schleuderguss in eine Formschale sollte es möglich sein, Gussteile mittlerer Komplexität herzustellen. Komplizierte Geometrien sind aufgrund der sehr niedrigen Duktilität des Materials nicht darstellbar. Einkristallherstellung: erfordert langsame Erstarrung, deshalb nur möglich in tiegellosen Verfahren, innerhalb des Projektes wurde Zonenschmelzen durchgeführt. Nachteil dabei: Seigerung und Abdampfen von Aluminium führt zur Verringerung des Aluminiumgehaltes während des Prozesses. Theoretisch wäre auch das Czochralski-Verfahren denkbar, aber die Kombination von KIT für die Schmelze und Czochralski-Verfahren zum Erstarren ist regelungstechnisch eine extrem große Herausforderung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Al-reiche Al-Ti Legierungen; 15. Sitzung des DGM-Fachausschusses Intermetallische Phasen, 10.01. 2007, Düsseldorf
M. Paninski
- Casting and Properties of Al-rich Ti-Al alloys; 11th World Conference on Titanium Ti-2007, 3.6.07 - 07.06.2007, Kyoto, Japan
M. Paninski, A. Drevermann, G. J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
- Characterization of the microstructure of Al-rich TiAl-alloys by combined TEM imaging techniques; Microscopy and Microanalysis, 13 Suppl. 3 (2007) 294-295
K. Kelm, S. Irsen, M. Paninski, A. Drevermann, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/S1431927607081470) - Properties of cast Al-rich Ti-Al alloys, in Ti-2007 Science and Technology, ed. by M. Niinomi (Japan Institute of Metals) 1059-1062
M. Paninski, A. Drevermann, G.J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
- Properties of cast Al-rich Ti-Al alloys, TMS 2008 Annual Meeting & Exhibition, 9.3.08 - 13.3.08, New Orleans
M. Paninski, A. Drevermann, G. J. Schmitz, M. Palm, F. Stein, M. Heilmaier, N. Engberding, H. Saage, D. Sturm
- Unidirectional Solidification and Single Crystal Growth of Al-rich Ti-Al Alloys; MRS Fall Meeting 2008, 1.12.08 – 5.12.08 Boston
A. Drevermann, G.J. Schmitz, G. Behr, E. Schaberger-Zimmermann, C. Guguschev
- Creep strength of centrifugally cast Al-rich TiAl alloys; Materials Science and Engineering A 510–511 (2009) 373–376
D. Sturm, M. Heilmaier, H. Saage, M. Paninski, G.J. Schmitz, A. Drevermann, M. Palm, F. Stein, N. Engberding, K. Kelm, S. Irsen
- Unidirectional Solidification and Single Crystal Growth of Al-rich Ti-Al Alloys; Advanced Intermetallic-Based Alloys for Extreme Environment and Energy Applications, ed. by M. Palm, B.P. Bewlay, M. Takeyama, J.M.K. Wiezorek, Y-H. He (Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Volume 1128, Warrendale, PA, 2009), paper no. 1128-U03-03
A. Drevermann, G.J. Schmitz, G. Behr, E. Schaberger-Zimmermann, C. Guguschev
- Creep strength of a binary Al62Ti38 alloy, International Journal of Materials Research 101 (2010) 676-679
D. Sturm, M. Heilmaier, H. Saage, J. Aguilar, G.J. Schmitz, A. Drevermann, M. Palm, F. Stein, N. Engberding, K. Kelm, S. Irsen
