title: Elektronenstrahlbasierte additive Fertigung von Titanaluminid-Bauteilen mit dualer Mikrostruktur
Creators: name: Knörlein, Julia
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Additive Fertigung / Additive Manufacturing (AM)
subject: Luftfahrt / Turbinenschaufeln für ein Triebwerk
subject: Funktional gradierte Materialien / Functional Graded Material (FGM)
subject: Titanaluminide / Titanium Aluminide (TiAl)
subject: Pulverbettbasierte, additive Fertigung mittels Elektronenstrahl / Powder Bed Fusion with Electron Beam (PBF-EB)
subject: Duales Mikrostrukturkonzept (DM)
subject: Eigenschaftsoptimierung
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Bereiche

description: In den vergangenen Jahrzehnten wurden bedeutende Fortschritte in der Entwicklung von Legierungen auf dem Gebiet der Titanaluminide (TiAl) erzielt. Diese Entwicklungen haben dazu beigetragen, Titanaluminide als eine leichtere Alternative zu den traditionell verwendeten schweren Nickelbasis-Superlegierungen zu etablieren. Der Einsatz von Titanaluminiden in Antriebssystemen sowohl in der Luftfahrt als auch in der Automobilindustrie spiegelt das ständige Bestreben wider, Materialien zu verwenden, die nicht nur leistungsfähiger, sondern auch effizienter im Hinblick auf Gewicht und Energieverbrauch sind. Dabei erreichen die eingesetzten TiAl-Legierungen auf Basis der intermetallischen γ-TiAl-Phase maximale Einsatztemperaturen von ca. 800℃ und werden typischerweise durch die Gussroute und / oder das Schmieden hergestellt. Um den Einsatzbereich von γ-TiAl-Legierungen zu erweitern, zielt diese Arbeit auf neue Verarbeitungswege mittels additiver Fertigung (AM, additive manufacturing) ab. Das additive Fertigungsverfahren, Elektronenstrahlschmelzen (PBF-EB, powder bed fusion with electron beam), ermöglicht die Verarbeitung von etablierten TiAl-Legierungen, weist jedoch prozessbedingte Herausforderungen auf. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit den Prozessparameter-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen von PBF-EB-gefertigten TiAl-Bauteilen und nutzt dieses Wissen zur Entwicklung neuer Prozessrouten für eine prozessangepasste TiAl-Legierung der 4. Generation: der TNM-Legierung mit den Hauptlegierungselementen Niob und Molybdän. Die Erzeugung von defektfreien TNM-Bauteilen mit einer uniformen Mikrostruktur konnte nachgewiesen werden. Neueste Forschungsergebnisse, die im Rahmen dieser Arbeit generiert wurden, präsentieren eine PBF-EB-Fertigungsroute für funktional gradierte, additiv gefertigte Bauteile (FGAM, functional graded additive manufacturing), die eine duale Mikrostruktur aufweisen und somit unterschiedliche mechanische Eigenschaften innerhalb eines komplex geformten Bauteils aus TiAl ermöglichen. Die FGAM-Bauteile werden mit zwei unterschiedlichen, gut aufeinander abgestimmten PBF-EB-Prozessparametersätzen gefertigt, was zu einer signifikanten Änderung des lokalen Verlustes an Aluminium (Al) durch Verdampfung während des PBF-EB-Prozesses führt. Durch eine nachgelagerte Wärmebehandlung wird die as-built Mikrostruktur, die zwei verschiedene Al-Gehalte aufweist, in zwei unterschiedliche Mikrostrukturgefüge umgewandelt: das vollständig lamellare Gefüge (FL, fully lamellar), welches aus großen α2/γ-Kolonien besteht, und das nahezu lamellare Gefüge (NL+γ, nearly lamellar with γglobular), bestehend aus kleinen α2/γ-Kolonien sowie globularen γ-Körnern. Diese Arbeit umfasst Ergebnisse zur allgemeinen PBF-EB-Prozessführung für die Erzeugung defektfreier TNM-Bauteile. Weiterhin erfolgt die Bewertung von verschiedenen prozesstechnischen Möglichkeiten, um die Al-Verdampfung im PBF-EB-Prozess für TNM zu beeinflussen. Ein duales Mikrostrukturkonzept wird für TNM-Bauteile erarbeitet und erprobt. Für die TiAl-Legierung TNM erfolgt eine mikrostrukturelle sowie mechanische Charakterisierung von dualen Mikrostrukturproben (FL /NL+γ). Dafür wird die Elementverteilung von Aluminium bestimmt und es werden die Mikrostrukturen charakterisiert sowie die bruchauslösenden Defekte identifiziert. Zug- und Kriech- sowie Ermüdungsversuche werden für die mechanische Charakterisierung durchgeführt. Die vorgestellte neue PBF-EB-Fertigungsroute zur Herstellung von TNM-Bauteilen mit dualer Mikrostruktur ermöglicht eine verbesserte mechanische Bauteilbelastbarkeit. Durch die Erzeugung einer dualen Mikrostruktur mit dem PBF-EB-Prozess und einer nachgelagerten Wärmebehandlung kann die Prozessroute effizienter gestaltet werden und eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften innerhalb eines Bauteils erzielt werden. Zum ersten Mal ist es möglich, dass eine TiAl-Turbinenschaufel aus einem kriechfesten Schaufelblatt und gleichzeitig einem hochfesten Fußbereich bestehen kann.
description: In recent decades, advancements in alloy development in the field of titanium aluminides (TiAl), have led to their use as replacements for heavier nickel-based superalloys in aerospace and automotive propulsion systems. These TiAl alloys, based on the intermetallic γ-TiAl phase, achieve maximum operating temperatures of approximately 800℃ and are typically manufactured through casting or forging processes. This research aims to expand the application range of γ-TiAl alloys by exploring new processing methods via additive manufacturing (AM). The additive manufacturing process, powder bed fusion with an electron beam (PBF-EB), is suitable for processing established TiAl alloys but presents unique process-related challenges. This study focuses on understanding the relationships between process parameters, microstructure, and properties of PBF-EB-manufactured TiAl components. This knowledge is used to develop new process routes for a process-adapted 4th generation TiAl alloy, the TNM alloy with main alloying elements niobium and molybdenum. The successful creation of defect-free TNM components with a uniform microstructure is demonstrated. Innovative research findings presented in this work introduce a PBF-EB manufacturing route for functionally graded, additively manufactured components (FGAM) with dual microstructures. Varied mechanical properties within a complexly shaped TiAl component are enabled. FGAM components are produced using two different, well-adjusted PBF-EB process parameter sets, resulting in a significant alteration of the local loss of aluminum (Al) due to evaporation during the PBF-EB process. A subsequent heat treatment transforms the as-built microstructure, featuring two different Al contents, into two distinct microstructures: a fully lamellar microstructure (FL), consisting of large α2/γ colonies, and a nearly lamellar microstructure (NL+γ), composed of small α2/γ colonies and globular γ grains. This work evaluates various process-technical options for influencing Al evaporation in the PBF-EB process for TNM. A dual microstructure concept for TNM components is developed and tested. Microstructural and mechanical characterizations are conducted on dual microstructure specimens (FL /NL+γ) of the TNM alloy. The distribution of Al elements is determined, microstructures are characterized, fracture-initiating defects are identified, and tensile, creep, and fatigue tests are performed. The newly introduced PBF-EB manufacturing route for producing TNM components with a dual microstructure significantly enhances the mechanical load-bearing capacity of the parts. By creating a dual microstructure using the PBF-EB process, followed by post-process heat treatment, the TiAl production route can be made more efficient. This approach allows the optimization of mechanical properties within a single component, achieving an advancement in materials engineering for high-performance applications. For the first time, it is possible to process TiAl turbine blades comprising creep-resistant blades and simultaneously high-strength foot areas.