Wasserstoff als temporäres Legierungselement zur Einstellung spezifischer Gefügegradienten in der (Alpha+Beta)-Titanlegierung Ti-6Al-4V

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470236376

Technische Bauteile sind wachsenden Anforderungen bezüglich Haltbarkeit und Zuverlässigkeit ausgesetzt. Gleichzeitig sollen sie nachhaltig und unter ökologischen und ökonomischen Aspekten konstruiert, produziert und eingesetzt werden. Um diesen Erwartungen gerecht zu werden, ist die Entwicklung thermochemischer oder -mechanischer Prozesse nötig. Titanlegierungen, die über eine vergleichsweise hohe Gaslöslichkeit verfügen, ermöglichen eine temporäre Wasserstoffbeladung, im Englischen oftmals Thermohydrogen Treatment (THT) genannt. Da Wasserstoff elastische und bei Hydridausscheidung auch plastische Gitterverformungen hervorruft und ein starker Stabilisator der β-Phase ist, ist eine gezielte Gefügeveränderung möglich, welche die mechanischen Eigenschaften, verglichen mit konventionell erzeugten Titanlegierungsmikrostrukturen, verbessert. Darüber hinaus ist THT auf komplexe Geometrien anwendbar, die mit herkömmlichen mechanischen Oberflächen-behandlungsverfahren nicht randschichtbehandelt werden können. Das beantragte Forschungs-vorhaben zielt auf eine lokale Gefügeanpassung durch eine Veränderung der Verteilung und Morphologie von festigkeitssteigernden Ausscheidungen sowie der β-Korngröße in Abhängigkeit vom Abstand zur Oberfläche (Gefügegradient) ab, was die Ermüdungseigenschaften des Werkstoffs verbessern soll.Für die Auslegung der THT-Prozessparameter werden die Daten zur Phasenstabilität, der Wasserstoff-Diffusionskoeffizient und die Wasserstoff-Löslichkeit in Abhängigkeit von der Morphologie des Ausgangsgefüges benötigt. Auf Basis dieser Kenntnis sollen mittels Simulation die Prozessschritte des THT-Prozesses ausgestaltet und durch systematische experimentelle Untersuchungen überprüft und verbessert werden. Anschließend soll eine Evaluierung der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Versuche unter monotoner und zyklischer Beanspruchung erfolgen. Der Nachweis der Übertragbarkeit des besten der entwickelten THT-Prozesse auf komplexe Geometrien soll abschließend anhand eines Demonstrators erfolgen, welcher ein reales Bauteil nachbildet. Die bisherigen Untersuchungen zur Erzeugung eines bislang gradientenfreien Gefüges zeigen, dass eine zielgerichtete Anpassung der THT-Parameter die Einstellung eines Gefügegradienten, der eine verbesserte Ermüdungsresistenz hervorruft, ermöglichen sollte. Hierbei erscheinen zwei Wege, die im Rahme des Vorhabens beschritten werden sollen, vielversprechend, nämlich die Einstellung eines temporären Wasserstoffkonzentrationsgradienten und die Bildung einer Hydridausscheidungszone.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen