Entwicklung neuartiger Ti-Basislegierungen mit einem hohen thermisch-mechanischen Potential

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Bronislava Gorr; Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier; Dr.-Ing. Alexander Kauffmann
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524725651

Kommerziell verfügbare hochtemperaturbeständige Ti-Basislegierungen, die sich durch eine sehr gute Kombination aus Kriechbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit sowie attraktiv niedrige Dichten auszeichnen, können wegen ihrer begrenzten Oxidationsbeständigkeit nur in einem limitierten Temperaturbereich bis zu 550°C eingesetzt werden. In diesem Vorhaben sollen innovative oxidationsbeständige Ti-Legierungen aus dem System Ti-Ta-Mo-Cr-Al entwickelt werden, für welche ein neues Oxidationsschutzkonzept angewandt wird. Die Einsatztemperatur dieser neuen Werkstoffe kann demnach auf bis zu 1000°C erhöht werden. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist, eine Ti-Basislegierung zu entwickeln, die in vorteilhafter Weise (i) Duktilität bei Raumtemperatur, (ii) Kriech- und Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen bis zu 1000°C und (iii) möglichst geringe Dichte vereint und damit in diesem Bereich aktuell eingesetzte polykristalline Ni-Basissuperlegierungen ersetzen kann. Die Oxidationsbeständigkeit neuer Ti-Basislegierungen beruht auf der Bildung schützender Cr-Ta-Oxidschichten. In unseren früheren Studien wurden dazu die für die Ausbildung schützender Oxidschichten kritischen Konzentrationen von Cr und Ta bestimmt. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sollen zunächst (duktile) einphasige Werkstoffe mit ungeordneter krz(A2)-Kristallstruktur und unterschiedlichen Mo/Ti-Verhältnissen entwickelt werden. Die krz Kristallstruktur wird durch die Elemente Ta, Mo, Cr und Ti garantiert. Im zweiten Schritt wird die Festigkeit dieser duktilen Legierungen durch (i) B2-Ausscheidungen innerhalb der A2-Matrix (analog der bekannten  – ‘ Mikrostruktur von Ni-Basissuperlegierungen) durch die Variation der Al-Konzentration bzw. (ii) durch Dispersoide in Form von Yttrium-Oxiden sukzessiv erhöht. Um die Oxidationsbeständigkeit weiter zu steigern und die Dichte zu reduzieren, wird schließlich angestrebt, Ta partiell durch Nb zu substituieren. Dichten von unter 7 g/cm3 sind vorstellbar, die damit um mehr als 20% unterhalb denen von Ni-Basislegierungen liegen. Das vorgestellte Entwicklungskonzept wird durch die thermodynamische Modellierung mittels der CALPHAD (Calculation of Phase Diagram)-Methode unterstützt. Um das Legierungsentwicklungskonzept zu validieren, wird eine umfassende experimentelle Charakterisierung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften und der Oxidationsbeständigkeit durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen