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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000574-4

Entwicklung von Hochtemperaturschutzschichten auf gamma-TiAl

  • Titanaluminide auf der Basis von gamma-TiAl können aufgrund der etwa halb so großen Dichte und der guten mechanischen Eigenschaften im Temperaturbereich von 700 bis 900°C die Nickelsuperlegierungen in Teilbereichen als Hochtemperaturwerkstoff in der Gasturbine ablösen. Bei Einsatztemperaturen oberhalb von 750°C weist gamma-TiAl allerdings eine geringe Oxidationsbeständigkeit auf. Daher ist es notwendig, das Oxidationsverhalten dieses Materials zu kennen und Maßnahmen zum Schutz vor zu starker Oxidation und somit einem möglichen Materialversagen zu treffen. In dieser Arbeit ist an der Niob-haltigen Legierung Ti-45Al-8Nb (at.%) zunächst die Mikrostrukturentwicklung der sich bildenden Oxidschicht bei Hochtemperaturauslagerungen in unterschiedlichen Atmosphären genauer untersucht worden. Rasterelektronenmikroskopische Analysen lieferten detaillierte Erkenntnisse über den Aufbau und das Wachstum der komplexen Oxidlage, die im Wesentlichen aus TiO2 sowie Al2O3 besteht und sich an der Grenzfläche zum Grundmaterial mit einem Übergangsbereich aus Nitriden, Aluminiumoxidausscheidungen und intermetallischen Phasen auszeichnet. In einem weiteren Schritt sind zur gezielten Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit von gamma-TiAl spezielle Schutzschichten entwickelt und mittels Magnetron-Sputtern auf dem Substratmaterial abgeschieden worden. Ziel war es, durch eine Unterdrückung der Titanoxid-Bildung einen hohen Widerstand gegen oxidative Angriffe zu erreichen. Umgesetzt wurde dies, indem die aufgebrachten Schichten entweder die Aluminiumaktivität derart erhöhten, dass sich eine schützende Aluminiumoxid-Deckschicht bilden konnte oder die Aktivität von Titan so verringert wurde, dass die Wachstumsgeschwindigkeit von Titanoxid stark reduziert war. Als dritte Möglichkeit ist eine Kombination dieser beiden Konzepte untersucht worden. Der Oxidationswiderstand der getesteten Schichtsysteme wurde über eine vergleichende quantitative Analyse der Oxidationskinetiken bewertet. Dazu sind neuartige Erkenntnisse aus im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten theoretischen Betrachtungen zur Wachstumskinetik von Oxidschichten herangezogen und auf deren Basis eine Messwertanalyse vorgenommen worden. Zur Erweiterung des Einsatzpotentials von gamma-TiAl ist in einem weiterführenden Schritt die Anwendbarkeit von elektronenstrahlaufgedampften Wärmedämmschichten ohne und mit Oxidationsschutz als Zwischenschicht auf gamma-TiAl getestet worden. Kernpunkt war hier die detaillierte Untersuchung von möglichen Einflüssen der keramischen Thermalschutzschicht auf den Oxidbildungsprozess des beschichteten Materialsystems.
  • Due to the low density as well as the good mechanical properties gamma-TiAl based titanium aluminides have the potential to replace the heavy Ni-based super alloys in gas turbine engines. However, gamma-TiAl exibits a low oxidation resistance at temperatures above 750°C. Therefore, it is necessary to know the oxidation behaviour of that material to protect gamma-TiAl against intense oxidation and finally against prospective material failure. In this study the formation of oxide scales on the gamma-TiAl alloy Ti-45Al-8Nb (at.%) grown under high temperature conditions and several atmospheres was investigated, primarily. Microstructural analysis performed by scanning electron microscopy led to a detailed understanding of the configuration and growth mechanism of the oxide layer consisting of TiO2 and Al2O3, predominantly. Moreover, the investigations reveal a transition zone at the oxide-substrate interface containing nitrides, alumina precipitates and intermetallic phases. In a further step specific protective coatings deposited by magnetron-sputter technique were developed to improve the oxidation behaviour of gamma-TiAl by suppressing the formation of titania. That was realized by three concepts, increasing the thermodynamic activity of aluminium aiming at the formation of a slow growing continuous alumina scale, decreasing the activity of titanium to reduce the growth of titania, directly, as well as the combination of both approaches. The oxidation resistance of the developed coatings was evaluated by analysing the oxidation kinetics. For this purpose novel cognitions created in this work by theoretical examinations with regard to the growth kinetic of oxide scales were used to interpret the measuring data. Additionally the potential of thermal barrier coatings on gamma-TiAl deposited by electron beam physical vapour deposition was tested. Coating systems with and without an oxidation protective intermediate layer were investigated focussing on the influence of the ceramic top layer on formation of the thermally grown oxide scale.

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Metadaten
Author: Maik Fröhlich
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000574-4
Title Additional (English):Development of High Temperature Coatings on gamma-TiAl
Advisor:Prof. Dr. Rainer Hippler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2009/02/12
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2008/12/02
Release Date:2009/02/12
GND Keyword:Aktivität <Konzentration>, Oxidation, Schutzschicht, Titanaluminide, Wärmeschutz
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik