Elektronenstrahlschweißen von Titanaluminid-Legierungen

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015) [Doktorarbeit]

Seite(n): XII, 146 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

TiAl-Legierungen bieten aufgrund ihres geringeren spezifischen Gewichtes ein großes Potenzial, um hochtemperaturbeständige Nickelbasislegierungen zu ersetzen. Zur Erhöhung der Oxidations- und Kriechbeständigkeit dieser Legierungen enthalten sie jedoch große Mengen an Niob und anderen Elemente, die die Neigung zu Seigerungen beeinflussen können. Außerdem weisen diese Legierungen im Allgemeinen eine niedrige Duktilität und Bruchzähigkeit auf, die sie anfällig für eine Rissbildung bei der Wärmebehandlung machen. Um einen atmosphärischen Einfluss zu vermeiden, wurde das Elektronenstrahlschweißverfahren zum Fügen zweier unterschiedlicher TiAl-Legierungen gewählt. Die GE-Mikrostruktur besteht aus einer Gamma (NG), die V5-Mikrostruktur aus einer Gamma/Alpha2 (FL) Struktur, die beide unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die durchgeführten Versuche zeigten die Möglichkeit einer rißfreien Schweißung mit dem Elektronenstrahl bei bis zu 5 mm dicken Blechen. Da die Abkühlraten beim Elektronenstrahlschweißen sehr hoch sind, war eine Verringerung der Schweißgeschwindigkeit auf 1 mm/s bzw. 2 mm/s in Kombination mit einer Vorwärmung von mindestens 500°C notwendig, um rißfreie Schweißungen zu erhalten. Die Vorwärmung wurde dabei effizient durch das Ablenken eines defokussierten Elektronenstrahles realisiert. Während die Vorwärmung vor allem Einfluss auf die Breite der Schweißnaht und damit eine Reduktion der Spannungsspitzen durch Homogenisieren der Spannungsverteilung hatte, zeigte der direkte Vergleich der beiden Legierungen keine großen Unterschiede in Bezug auf Schweißparameter und Rissverhalten, wohl aber in der Ausbildung ihrer Mikrostruktur. Die Legierung GE zeigte eine peritektische Erstarrung in Verbindung mit geringen Anteilen von Aluminiumseigerungen. Aufgrund des höheren Aluminiumgehaltes dieser Legierung wurden hohe Anteile an massivem Gamma (Gamma-m), hauptsächlich im Bereich der Schmelzlinie, gefunden. Mit Verringerung der Schweißgeschwindigkeit konnte die Menge an Gamma-m reduziert werden. Die Legierung V5 erstarrte über die Solid-State Beta Reaktion, was die Spannungen im höheren Temperaturbereich reduzieren kann und somit positiven Einfluss auf die Erstarrung direkt nach dem Schweißprozess hat. Die aufgrund der lamellaren Mikrostruktur geringere Duktilität bei Raumtemperatur könnte somit kompensiert werden. Es konnte zudem festgestellt werden, dass eine Koagulation von Titanboriden in der HAZ der V5-Legierung stattgefunden hat, welche das Hochtemperaturverhalten beeinflussen könnte. Beide Legierungen wiesen einen leichten Verlust an Aluminium in der Schweißnaht (Abbrand) auf, der möglicherweise Einfluss auf weitere Wärmebehandlungen haben kann. Beiden Legierungen zeigten deutliche Aufhärtungen nach dem Schweißprozess, aber nur GE-Legierung zeigte mit abnehmender Abkühlrate eine Härtereduktion. Dies wird auf das größere Potenzial zur Versetzungsbewegung zurückgeführt. Eine abschließende Wärmebehandlung hatte keine signifikante Wirkung auf die Härte und nur geringen Einfluss auf die Mikrostruktur. Das zeigt, dass die Parameter einer Wärmebehandlung weiterem Forschungsbedarf unterliegen. Um die mechanischen Eigenschaften der geschweißten Proben zu beurteilen, wurden Zugversuche und Spannungsmessungen mithilfe der Röntgen- und Neutronenbeugung durchgeführt. Aufgrund der Abmessungen und Form der Zugprobe zeigten sich starke Streuungen der Ergebnisse; obwohl hohe Festigkeiten von bis zu 485 MPa erreicht wurden, wurden Dehnungswerte unter 1% gemessen, die Ergebnisse sind daher nur als richtungsweisend anzusehen. Die Spannungsanalyse zeigte jedoch eine signifikante Reduktion der Schweißeigenspannungen bei Vorwärmung von mindestens 500°C oder massiver Reduktion der Schweißgeschwindigkeit, welches ausreichend war für die Herstellung rissfreier Verbindungen. Die Neutronenbeugungsanalyse zeigte dabei eine generelle Anwendbarkeit, auch wenn die starke Textur und extrem feine Mikrostruktur die Messergebnisse beeinflussen kann.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Holk, Jens

Gutachterinnen und Gutachter

Reisgen, Uwe
Bobzin, Kirsten

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52997
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-145407