Mikrostrukturentwicklung und Stabilität von Zirkonoxidschichten auf gamma Titanaluminiden bei thermischer Beanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Titanaluminide auf der Basis der intermetallische Phase y-TiAl bieten sich aufgrund ihrer •3 geringen Dicht von 3,9 - 4,2 g/cm als potentielle leichte Hochtemperaturwerkstoffe an, die die derzeit eingesetzten schweren Nickelbasislegierungen im Temperaturbereich bis 900°C ersetzten könnten. Jedoch ist das Oxidations verhalten oberhalb von etwa 750°C nicht ausreichend, so dass für den Einsatz bei diesen Temperaturen ein wirksamer Oxidationsschutz durch aufgebrachte Schichten notwendig ist. Das Einsatzgebiet von Titanaluminiden ließe sich noch um bis zu 150°C steigern, wenn auf die Komponenten bei gleichzeitiger Bauteilkühlung eine Wärmedämmschicht aufgebracht wird, wie dies heute bei Nickel superlegierungen Stand der Technik ist. Hierzu müssen die Oxidations s chutzschichen auch die Haftvermittlung der Wärmedämmschicht übernehmen. In dem hier geförderten Projekt wurden zwei unterschiedliche Schichtsysteme, eine keramische TiAlCrYN Nitritschicht und eine metallische TiAlCr Schicht als Oxidationsschutz für eine Ti-45Al-8Nb Legierung verwendet. Auf so beschichtete scheibenförmige Proben wurde mittels Elektronenstrahlverdampfung eine Wärmedämmschicht aus teil stabilisierten Zirkonoxid aufgebracht. Die Schichtsysteme wurden unter zyklischen Auslagerungsbedingungen an Luft zwischen 850 und 950°C geprüft, um die Lebensdauer der Schutzsysteme zu ermitteln. Hierbei wurden die Proben l h hohen Temperaturen ausgesetzt und kühlten anschließend 10 min an Raumluft auf etwa 60°C ab. Eine ausführliche mikro strukturelle Charakterisierung der Proben nach der Oxidations prüfung sollte zum Verständnis der Schädigungsmechanismen beitragen. Die Oxidationskinetik der bei 850°C geprüften Proben zeigt, dass die Nitridschicht bei dieser Auslagerung s temper atur einen moderaten Oxidationsschutz für y-TiAl bietet. Der Massenzuwachs der mit TiAlCrYN beschichteten Proben mit und ohne Wärmedämmschicht war deutlich geringer im Vergleich zur unbeschichteten Referenzprobe. Untersuchungen des Gefüges an Querschliffen oxidierter Proben ergaben jedoch, dass die Nitridschichten nach 140 Zyklen vollständig durchoxidiert waren. Die Lebensdauer der Schichtsysteme lag bei etwa 2000 Zyklen. Die Wärmedämmschichten versagten in ähnlicher Weise wie die Proben ohne Wärmedämmschutz durch Abplatzen der thermisch gewachsenen Oxidschicht. Dagegen war die Haftung der Zirkonoxidschichten auf den sich außen gebildeten Mischoxiden sehr gut. Bei 900°C wies die TiAlCrYN Schicht keine Schutzwirkung mehr auf. Sie war bereits nach 10 Zyklen vollständig durchoxidiert. Nach 320 Zyklen fiel die Schicht durch starke Oxidabplatzungen aus. Die Lebensdauer der Wärmedämmschichtsysteme war mehr als doppelt so lang. Der Ort des Ausfalls lag wieder innerhalb des thermisch gewachsen Oxids. Offensichtlich führten Risse im Oxid unterhalb der Wärmedämmschicht erst zu einem späteren Zeitpunkt zu großflächigen Abplatzungen. Auch bei dieser Auslagerungstemperatur wurde eine gute Haftung der Wärmedämmschichten auf der Oxidoberfläche beobachtet. Die intermetallische TiAlCr Schicht zeigte bei 900°C einen guten Oxidationsschutz für y- TiAl. Dieser beruhte auf der Ausbildung einer dünnen geschlossen AfeOs Lage auf der Oberfläche der Schutzschicht. Der Oxidationswiderstand der TiAlCr Schicht verschlechterte sich nach etwa 1000 Zyklen infolge von Veränderungen des Gefüges durch Interdiffusionsprozesse, vorwiegend durch Diffusion von Chrom in das Substratmaterial. Jedoch kam es bis zu einer maximalen Auslagerungsdauer von 2400 Zyklen bei Proben mit und ohne Wärmedämmschicht zu keinen Abplatzungen. Die Haftung der Wärmedämmschicht war auch in diesem System ausgezeichnet. Bei einer Auslagerungstemperatur von 950°C bot die TiAlCr Schicht einen Oxidationsschutz für y-TiAl bis etwa 600 Zyklen. Danach setzte bei der Schutzschicht, deren Gefüge sich durch Diffusionsprozesse und Phasenumwandlungen während der Hochtemperaturauslagerung verändert hatte, verstärkte Oxidation ein, die nach 1160 Zyklen zu Oxidabplatzungen führte. Die Proben mit Wärmedämmschichten versagten nach deutlich kürzerer Lebensdauer. Ursache hierfür war vermutlich ein Einfluss der Wärmedämmschicht auf die Struktur der äußeren thermisch aufgewachsenen Oxidschicht sowie ein möglicherweise verstärktes Wachstum. In Rahmen dieses DFG Projektes wurde gezeigt, dass EB-PVD Zirkonoxidschichten auf y- TiAl Legierungen zum Wärmeschutz eingesetzt werden können. Die Wärmedämmschichten hafteten sehr gut auf den vorbehandelten Oxidationsschutzschichten. Ebenso erwies sich die Haftung auf den während der Hochtemperatur aus l agerung gewachsenen Oxiden als unkritisch. Die Wärmedämmschichtsysteme versagten aufgrund von Abplatzungen des thermisch gewachsenen Oxids nach Verlust des Oxidationsschutzes. In künftigen Arbeiten sollten daher Zwischenschichten mit verbessertem Oxidations widerstand untersucht werden. Das kann zum einem durch eine erhöhte Schichtdicke erfolgen, zum anderen durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung, um Gefügeinstabilitäten aufgrund von Interdiffusionsvorgängen zu verringern. Bei den metallischen Schichten könnte die ursprüngliche Gefüge Struktur durch geeignete zusätzliche Legierungselemente stabilisiert werden. Der Oxidationswiderstand der Nitridschichten ließe sich möglicherweise durch eine Veränderung der metallischen Komponenten erhöhen. Die Wärmedämmschicht beeinflusst die Morphologie des außen aufwachsenden Oxids, was vermutlich auch zu der guten Haftung beiträgt. Neben der äußeren Oxidschicht mit säulenartigem Aufbau wächst Titanoxid und in geringerem Maße auch Aluminiumoxid in die interkolumnaren Poren und Zwischenräume der Wärmedämmschicht hinein, was ebenfalls zur einer verbesserten Haftung beitragen dürfte. Da die Oxide mitunter sehr weit in die Wärmedämmschicht hineinwachsen, könnten sie den Wärmewiderstand der stängelartigen Zirkonoxidschicht vermindern. Dies sowie die durch die Wärmedämmschicht beeinflusste Morphologie des äußeren Oxidaufbaus sollten in nachfolgenden Arbeiten untersucht werden. Titanaluminide mit wirksamem Oxidationsschutz könnten im Automobilbereich als Bauteile zukünftiger Motoren eingesetzt werden sowie in der Gasturbine als Komponenten, die einer nicht zu hohen Temperatur ausgesetzt sind, wie z.B. im Bereich des Hochdruckkompressors und der Niederdruckturbine. Bei entsprechender Entwicklung der mechanischen Eigenschaften könnten y-TiAl Werkstücke mit aufgebrachtem Wärmedämmschutz auch in die heißeren Bereiche der Turbine vordringen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- C. Leyens, R. Braun, M. Fröhlich, P. Eh. Hovsepian, Recent progress in the coating protection of gamma titanium-aluminides, Journal of Metals, 58 (2006), 17-21.
- M. Fröhlich, A. Ebach-Stahl, R. Braun, C. Leyens, Oxidation protective coatings for y-TiAl - recent trends, Material Wissenschaft und Werkstofftechnik, 38 (2007), 667-673.
- M. Fröhlich, R. Braun, C. Leyens, "Environmental and thermal protection of gamma TiAl alloys", EUROMAT 2005, September 5-8, 2005, Prag, CZ.
- M. Fröhlich, R. Braun, C. Leyens, "Oxidation resistant coatings in combination with thermal barrier coatings on y-TiAl alloys for high temperature applications", International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, May 1-5, 2006, San Diego, USA.
- M. Fröhlich, R. Braun, C. Leyens, Oxidation resistant coatings in combination with thermal barrier coatings on y-TiAl alloys for high temperature applications, Surface & Coatings Technology 201 (2006), 3911-3917.
- R. Braun, C. Leyens, "Performance of thermal barrier coatings on y-TiAl", Novel Approaches to the Improvement of High Temperature Corrosion Resistance, European Federation of Corrosion Workshop, EFC-Event No. 275, October 27-29, 2004, DECHEMA, Frankfurt.
- R. Braun, C. Leyens, M. Fröhlich, Performance of thermal barrier coatings on y-TiAl, Materials and Corrosion, 56 (2005), 930-936.
- R. Braun, M. Fröhlich, A. Ebach, C. Leyens, "Investigation on the oxidation behaviour of gamma titanium aluminides coated with thermal barrier coatings", Protective Systems for High Temperature Applications: From Theory to Industrial Implementation, European Federation of Corrosion Workshop, EFC-Event No. 290, October 12-13, 2006, DECHEMA, Frankfurt.
- R. Braun, M. Fröhlich, C. Duda, A. Ebach, C. Leyens, "Oxidation behaviour of gamma titanium aluminides for high temperature applications", International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, May 1-5, 2006, San Diego, USA.
- R. Braun, M. Fröhlich, W. Braue, C. Leyens, "Oxidation behaviour of gamma titanium aluminides with EB-PVD thermal barrier coatings exposed to air at 900°C", International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, April 23-27, 2007, San Diego, USA.
