Abstract
The global economic network, increasing mobility and wealth have a significant impact on energy consumption and environmental degradation, creating a serious social and political pressure on climate protection issues and a sustainable use of limited natural resources. In this context, a variety of programs are launched worldwide on a political and scientific / technical level to reduce aviation as well as automobile emissions. To meet these requirements, apart from new and improved design and lightweight construction concepts, high-temperature lightweight structural materials and their processing technologies play a key role. Due to their high specific (creep) strength and low density, intermetallic titanium aluminides have a particularly great potential, which is already being used industrially. While in the last decades, predominantly ingot metallurgical processes have been developed for the production of pre-material, which have subsequently been processed by casting and hot-working, the introduction of powder-based manufacturing technologies (e. g. additive manufacturing), with the availability of high-quality alloy powder, opens up new ways of material processing and component design. The basis of this work is the process-adapted 4th generation TNM-alloy, which was developed at the Chair of Physical Metallurgy and Metallic Materials. Due to its reactivity, manufacturing methods used are electron beam melting and laser powder-bed fusion as well as spark plasma sintering. Furthermore, high demands are placed on the production of the powder, in particular with regard to its purity. The chemical composition of the project alloy is designed and optimized so that it is “resistant” to the characteristics of the different manufacturing processes and their physical conditions. The starting powders and the manufactured specimens are subjected to a comprehensive characterization involving microstructural investigations on several length scales as well as the examination of the mechanical properties. Moreover, in order to further optimize the mechanical properties at elevated temperatures, it is an essential goal to develop suitable heat treatments. This work will show how conventional and high-resolution metallography can be used to combine innovative alloys with new processing technologies.
Kurzfassung
Global vernetzte Weltwirtschaft, Wohlstand und steigende Mobilität haben einen gravierenden Einfluss auf den Energieverbrauch und die Schädigung der Umwelt, wodurch ein ernsthafter sozialer und politischer Druck auf Klimaschutzfragen sowie eine nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen entsteht. In diesem Zusammenhang werden weltweit eine Vielzahl von Programmen auf politischer sowie wissenschaftlich / technischer Ebene initiiert, um Emissionen aus dem Luft- und Automobilverkehr zu reduzieren. Um diese Vorgaben zu erreichen, spielen, neben neuen und verbesserten Auslegungs- und Leichtbaukonzepten, die Entwicklung und der Einsatz innovativer Hochtemperaturleichtbauwerkstoffe und deren Verarbeitungstechnologien Schlüsselrollen. Intermetallische Titanaluminide haben aufgrund ihrer hohen spezifischen (Kriech-) Festigkeit und ihrer geringen Dichte ein besonders hohes Potential, welches bereits industriell genutzt wird. Während in den letzten Jahrzehnten vorrangig schmelzmetallurgische Prozesse zur Vormaterialherstellung entwickelt wurden, welches in weiterer Folge durch Feinguss bzw. Warmumformung zu Bauteilen verarbeitet wird, können durch die Einführung von pulverbasierten Fertigungsmethoden, wie z. B. der additiven Fertigung, unter Verfügbarkeit hochwertiger Legierungspulver, neue Wege der Werkstoffverarbeitung und Bauteilauslegung beschritten werden. Als Basis in dieser Arbeit dient die am Lehrstuhl für Metallkunde und metallische Werkstoffe entwickelte, prozessadaptierte TNM-Legierung der vierten Generation. Wegen ihrer Reaktivität kommen als Fertigungsverfahren Elektronenstrahl- und Laserschmelzverfahren sowie das Spark-Plasma-Sinterverfahren zum Einsatz. Des Weiteren werden an die Herstellung der Pulver größte Anforderungen gestellt, speziell was deren Reinheit betrifft. Die chemische Zusammensetzung der Projektlegierung wird so ausgelegt bzw. optimiert, dass sie gegenüber der Charakteristik der unterschiedlichen Fertigungsverfahren bzw. deren physikalischen Gegebenheiten „robust“ ist. Die Ausgangspulver sowie die gefertigten Proben werden einer umfangreichen Charakterisierung unterzogen, was sowohl mikrostrukturelle Untersuchungen auf mehreren Längenskalen als auch die Prüfung der mechanischen Eigenschaften betrifft. Um die mechanischen Eigenschaften für den Einsatz bei hohen Temperaturen zu optimieren, ist es darüber hinaus ein wichtiges Ziel, geeignete Wärmebehandlungen zu entwickeln. Die Arbeit soll zeigen, wie man mit Hilfe der konventionellen und hochauflösenden Metallographie innovative Legierungen mit neuen Herstelltechnologien kombinieren kann.
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