Werkstoffe

Schlummernde Effekte

28.09.2006 | Redakteur:

TiAl-Basislegierungen haben das Potenzial für hochwarmfeste Leichtbauteile in Antrieben. Die intermetallischen Phasen des 2-Stoff-Systems Titan-Aluminium wurden schon in den siebziger Jahren als...

Die intermetallischen Phasen des 2-Stoff-Systems Titan-Aluminium wurden schon in den siebziger Jahren als potenzielle Hochtemperaturwerkstoffe mit ausgezeichneten spezifischen – auf die Dichte bezogenen – Festigkeitseigenschaften angesehen. Geringe Duktilität und schwierige Verarbeitbarkeit waren aber Hemmnisse für industrielle Anwendungen. Intensive Grundlagenforschung und eine anwendungsrelevante Werkstoffentwicklung seit Mitte der achtziger Jahre haben duktilere 2-Phasen-Legierungen auf der Basis der titanreichen Phasen g(TiAl) und a2(Ti3Al) mit ausgewogeneren Eigenschaften hervorgebracht.Die besondere Konstitution dieser Werkstoffe führt zu einer attraktiven Eigenschaftskombination aus niedriger Dichte und hohen mechanischen Kennwerten bei hoher thermischer Belastung. So ist deren Dichte um etwa 50% niedriger als die von Stahl und Ni-Basis-Superlegierungen. Die hohe Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei Gebrauchstemperaturen bis 800 °C prädestinieren Titanaluminide vor allem für thermisch und mechanisch hoch beanspruchten Leichtbaukomponenten in Antriebssystemen. In den letzten 15 Jahren wurden beachtliche Erfolge bei der Entwicklung und Erprobung von TiAl-Basislegierungen erzielt. Heute stehen industriell einsatzfähige Legierungsvarianten auf Titanbasis mit 45 bis 49 At.-% Aluminium zur Verfügung, die mit zusätzlichen Legierungselementen aus der Gruppe der Übergangsmetalle (zum Beispiel Chrom, Molybdän, Mangan, Niob und Valadium) mit bis zu 10 At.-% oder mit Halbmetallen (insbesondere Silizium und Bor) mit Gehalten kleiner als 1 At.-% modifiziert sind. Ternäre Legierungszusätze verbessern WerkstoffverhaltenZwar ist das physikalische und mechanische Verhalten wesentlich von den Eigenschaften der geordneten Mischkristallphasen g(TiAl) und a2(Ti3Al) bestimmt, die Wirkungen ternärer Legierungszusätze auf das Eigenschaftsprofil sind jedoch ausgeprägt und nutzbar. Diese Legierungselemente werden zugesetzt, um beispielsweise die Warmfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit oder Verarbeitbarkeit zu verbessern. Elemente wie Chrom, Molybdän, Mangan, Vanadium, Niob und Kupfer führen außerdem zu einer bessern Duktilität bei niedrigen Temperaturen.Die Wechselwirkungen der Legierungsatome beispielsweise mit Leerstellen, interstitiellen Fremdatomen oder Antiphasengrenzen in den Überstrukturgittern und der Einfluss auf die Verformungsmechanismen, Normal- und Superversetzungen sowie Zwillingsbildung sind zurzeit noch nicht vollständig aufgeklärt. Das Gefüge der TiAl-Basislegierungen - das heißt die mikrostrukturellen Parameter, welche die mechanischen Eigenschaften maßgeblich beeinflussen - sind entscheidend von der chemischen Zusammensetzung sowie von den Prozessgrößen bei der Herstellung und der Behandlung von Halbzeugen und Bauteilen abhängig.Die Anforderungen an Hochleistungswerkstoffe in modernen verbrauchs- und leistungsoptimierten Antriebssystemen sind immens gestiegen. Konventionelle Legierungen - wie Stahl oder Aluminium-Basislegierungen - stoßen dabei an die Grenzen ihrer Belastbarkeit. Daher forciert vor allem die Automobilindustrie die Entwicklung von hochwarmfesten Titanaluminiden für rotierende und oszillierende Leichtbauteile in Antriebsaggregaten. Aufgrund der Verwendung dieser Leichtbauwerkstoffe ist eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads und die Reduzierung der bewegten Massen von Verbrennungsmotoren und Triebwerken möglich. Die besondere Konstitution dieser Werkstoffe führt zu einer Eigenschaftskombination aus niedriger Dichte r (etwa 3,8 bis 4,1 g/cm3) sowie einer hohen Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei Gebrauchstemperaturen bis 800 °C. Dieses Eigenschaftsprofil ist für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Leichtbaukomponenten in Verbrennungsmotoren attraktiv. Die Massenreduzierung von Bauteilen - zum Beispiel von Ventilen (Bild 2), Abgasturboladerrotoren und Kolben - führt zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch durch geringere Reibungsverluste im gesamten System.Aufgrund der reduzierten Trägheitskräfte ist eine Steigerung der Antriebsleistung durch höhere Motordrehzahlen möglich, wobei zusätzlich eine deutlich verbesserte Laufruhe erreicht wird. Für Strömungsmaschinen sind Lauf- und Leitschaufeln aus TiAl-Basislegierungen für Axialverdichter und Niederdruckturbinen in der Entwicklung. Für Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrttechnik - zum Beispiel für thermisch beanspruchte Auskleidungen und Honeycombs an Triebwerken - wurden Bleche und Folien aus diesen Leichtbaulegierungen entwickelt. Aufgrund des im Vergleich zu Stahl und konventionellen Titan-Basislegierungen außergewöhnlich hohen spezifischen Elastizitätsmoduls E/r von etwa 39 bis 46 GPa cm3g-1 und der Dehngrenze Rp0,2(RT) von 1000 MPa und mehr im thermomechanisch verabeiteten Zustand kommen Titanaluminide auch für Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen in Betracht. Bei solchen Bauteilen handelt es sich zum Beispiel um Pleuel und Kolbenbolzen in Verbrennungsmotoren oder Komponenten von Fertigungs- oder Handhabungsautomaten. Den Eigenschaftsvorteilen von intermetallischen TiAl-Basislegierungen stehen heute noch wirtschaftliche Hemmnisse gegenüber, die eine Verwendung der Legierungen für Serienbauteile verzögern. Sie ergeben sich einerseits aus der im Vergleich zu Stählen oder konventionellen Titan- oder Nickel-Basislegierungen aufwändigeren Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit. Andererseits sind die hohen Werkstoffkosten von TiAl-Basislegierungen eine weitere Hürde zur Serienanwendung. Ziel ist es, einen Vormaterialpreis (Ingot) in der Größenordnung von hochfesten Titanlegierungen zu erreichen.Konventionelle Verarbeitung ist nur erschwert möglichDie industrielle Herstellung von Bauteilen aus TiAl-Basislegierungen erfordert die Anwendung wirtschaftlicher Produktionsverfahren. Die Legierungsherstellung und -verarbeitung basieren dabei vielfach auf den gängigen Verfahren der titanverarbeitenden Industrie. Die besondere Konstitution und die geordnete Struktur der Legierungen erschweren aber die großtechnische Verarbeitung durch konventionelle Gieß- und Umformprozesse. Der Aufwand bei der schmelzmetallurgischen Verarbeitung ergibt sich dabei vor allem aus der hohen Reaktivität der Legierungen mit dem Tiegel- und Kokillenwerkstoff und aufgrund der großen Unterschiede der Schmelztemperaturen und Dampfdrücke der Legierungselemente. Außerdem ist die exakte Kontrolle der chemischen und mikrostrukturellen Homogenität schwierig. Dies ist aber maßgeblich für die thermomechanische Verarbeitung, weil das Prozessfenster der geeigneten Umformtemperaturen und Verformungsraten relativ eng begrenzt ist und die optimalen Verarbeitungsparameter sehr stark von der Legierungszusammensetzung abhängig sind. Bei Verwendung von TiAl-Basislegierungen in der Verkehrstechnik werden sehr hohe Ansprüche an die Qualitätssicherung gestellt. Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik erfordern außerdem einen besonders hohen Standard der Bauteilsicherheit. Bei der Serienproduktion von Motorkomponenten für die Automobilindustrie steht schließlich noch die Wirtschaftlichkeit der Fertigungsverfahren im Vordergrund. Die gießtechnische Bauteilherstellung ist in den meisten Fällen die kostengünstigere Alternative. Durch thermomechanische Verarbeitung können aber schmelzmetallurgisch bedingte Defekte wie Poren, Lunker und Segregationen eliminiert und Bauteile mit hohem Qualitätsstandard hergestellt werden. Endabmessungsnahe Formgebungsverfahren, zum Beispiel isothermes Schmieden und superplastisches Umformen, ermöglichen den Aufwand für die spanende Bearbeitung zu minimieren.Obwohl TiAl-Basislegierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik prädestiniert sind, ist heute dort noch keine kommerzielle Anwendung zu verzeichnen. Dies ist einerseits auf die besonders hohen Anforderungen an die Schadenstoleranz von Konstruktionen in diesem Bereich zurückzuführen. Aufgrund von konservativem Bauteildesign im Zusammenhang mit der relativ geringen Risszähigkeit von TiAl-Basislegierungen kann der Leichtbauvorteil dieser Werkstoffe oft nicht ausgeschöpft werden. Dennoch: Der Serieneinsatz von TiAl-Basislegierungen in Verbrennungsmotoren hängt zum jetzigen Zeitpunkt weniger von den Anwendungseigenschaften als von fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Aspekten der Bauteilherstellung und Qualitätssicherung ab. Die Industrie konzentriert sich heute auf vorhandene, für bestimmte Anwendungen optimierte Legierungspatente sowie werkstoffspezifische Fertigungsverfahren, die für die Herstellung von Bauteilen mit reproduzierbaren Gebrauchseigenschaften geeignet sind.Erste Serienanwendungen im AutomobilbereichIm Einzelfall wurde die Schwelle zum industriellen Einsatz bereits überschritten. So hat Mitsubishi im Jahr 2000 bereits den Serieneinsatz von TiAl-Turbinenrädern für Abgasturbolader in Pkw-Motoren in Japan gestartet. Die Sinterstahl GmbH in Füssen - ein Unternehmen der Plansee-Gruppe - fertigt ebenfalls seit mehr als vier Jahren Automobilventile für Rennsportmotoren erfolgreich in Serie. Diese Anwendungen sowie zahlreiche Feldversuche und motorische Tests haben gezeigt, dass TiAl-Basislegierungen den Anforderungen in leistungs- und verbrauchsoptimierten Motoren in jeder Hinsicht gerecht werden.