Mechanisches Verhalten von zwei Titanaluminid Legierungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Entwicklung einer neuen Methode zur Bestimmung der Spröd-Duktil-Übergangstemperatur

Titanaluminide auf der Basis von γ-TiAl sind vielversprechende Leichtbauwerkstoffe für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen aufgrund ihrer sehr guten massensspezifischen Eigenschaften. Aus diesem Grund ist es wichtig, das mechanische Verhalten dieser Legierungen bei höheren Temperaturen zu charakterisieren. Eine wichtige Eigenschaft dieser Werkstoffe ist der Spröd-Duktil-Übergang. Beim Spröd-Duktil-Übergang ändert sich das spröde Materialverhalten nach Überschreiten der Spröd-Duktil-Übergangstemperatur (BDTT, engl. Brittle-to-Ductile Transition Tempera-ture) hin zu duktilem Verhalten. ... mehrSowohl für die Herstellung als auch für die Auslegung ist es wichtig, die BDTT dieser Materialien zu kennen. Im Rahmen dieser Arbeit wird anhand der Legierung Ti-48Al-2Nb-0,7Cr-0,3Si eine Methode entwickelt, mit der die BDTT dieses Materials anhand einer Probe bestimmt werden kann. Damit können im Vergleich zu den konventionellen Methoden zur Ermittlung der BDTT Proben und Zeit gespart werden. Die neue Methode beruht auf dehnungskontrollierter zyklischer Belastung, die bei mehreren Temperaturen widerholt wird. Die Entwicklung der plastischen Dehnungsamplitude mit der Temperatur wird verwendet, um die BDTT des Werkstoffs zu ermitteln. Die BDTTs bei unterschiedlichen Dehnraten, die anhand dieser Methode ermittelt werden können, werden in dieser Arbeit mit den Ergebnissen aus der Literatur verglichen, wo die BDTTs mit konventionellen Methoden Zug- oder Biegeversuchen ermittelt wurden. Der Vergleich zeigt, dass die neu entwickelte Methode für Ti-48Al-2Nb-0,7Cr-0,3Si vergleichbare BDTTs liefert wie konventionelle Methoden, jedoch eben nur eine einzige Probe benötigt.
Neben der Legierung Ti-48Al-2Nb-0,7Cr-0,3Si wird auch Ti-48Al-2Nb-2Cr mit der entwickelten Methode zur Bestimmung der BDTT untersucht. Um das mechanische Verformungsverhalten von Ti-48Al-2Nb-2Cr näher zu verstehen, werden außerdem Zug- und Wechselverformungsversuche bei unterschiedlichen Temperaturen und zwei Dehnraten sowie mikroskopische Untersuchungen an verformten Proben durchgeführt. Die BDTT ist in beiden Legierungen dehnratenabhängig und der Spröd-Duktil-Übergang findet durch Einsetzen der diffusionsunterstützten Versetzungsbewegung statt. Neben einem Spröd-Duktil-Übergang zeigen beide untersuchten Legierungen auch dynamische Reckalterung. Dabei diffundieren die Fremdatome schnell genug und bewegen sich während plastischer Verformung mit den Versetzungen zusammen und verankern diese bei ihrer Bewegung. Während dynamische Reckalterung in der Legierung Ti-48Al-2Nb-0,7Cr-0,3Si durch die Diffusion von O Atomen entsteht, kommt sie in der Legierung Ti-48Al-2Nb-2Cr durch die Diffusion von O und Cr Atomen zustande. Es zeigt sich, dass Spröd-Duktil-Übergang und dynamische Reckalterung aufgrund der Diffusion von Cr Atomen bei ungefähr gleichen Temperaturen einsetzen. Dies verhindert eine genaue Ermittlung der BDTT von Ti-48Al-2Nb-2Cr mit der entwickelten Methode.

Titanium aluminides based on γ-TiAl are promising lightweight materials for use in high-temperature applications due to their very good mass-specific properties. For this reason, it is important to characterize the mechanical behavior of these alloys at elevated temperatures. An important property of these materials is the brittle-to-ductile transition. The brittle material behavior changes to ductile behavior once the brittle-to-ductile transition temperature (BDTT) is exceeded. It is important to know the BDTT of these materials for both manufacturing and design purposes. ... mehrIn this work, a method is developed utilizing the alloy Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si to determine the BDTT of this material by using a single specimen. This can save (costly) samples and time compared to conventional methods for determining BDTT. The new method is based on strain-controlled cyclic loading repeated at multiple temperatures. The evolution of plastic strain amplitude with temperature is taken as a measure to determine the BDTT of the material. The BDTTs at different strain rates determined using this method are compared in this work with the results in the literature, where the BDTTs are determined using the conventional methods like tensile and bending tests. The comparison shows that the newly developed method yields comparable BDTTs to conventional methods for Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si.
In addition to Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si alloy, Ti-48Al-2Nb-2Cr is also investigated using the developed method to determine the BDTT. In order to further understand the mechanical deformation behavior of Ti-48Al-2Nb-2Cr, tensile and strain-controlled fatigue tests at different temperatures and two strain rates, as well as microscopic studies on deformed specimens are performed. The BDTT is strain rate dependent in both alloys and the brittle-to-ductile transition occurs through the onset of diffusion-assisted dislocation motion. In addition to a brittle-to-ductile transition, both alloys investigated exhibit dynamic strain aging. In this case, the alloying and impurity atoms diffuse fast enough and move together with the dislocations during plastic deformation, anchoring them as they move. While dynamic strain aging in the alloy Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si occurs due to the diffusion of O atoms, in the alloy Ti-48Al-2Nb-2Cr it occurs due to the diffusion of O and Cr atoms. It appears that brittle-to-ductile transition and dynamic strain aging due to the diffusion of Cr atoms start at approximately the same temperatures. This prevents accurate determination of the BDTT of Ti-48Al-2Nb-2Cr by the developed method.