Development and characterisation of Ti-MMCs with high specific stiffness

Abstract

Titanium alloys are becoming increasingly popular for aerospace structural components, as they offer high specific strength and good corrosion resistance, yet are lightweight. Weight reduction is also driving the development of other alloys to replace other components currently made from aluminium, iron or nickel alloys. To replace these parts, certain mechanical properties such as stiffness, strength or creep behaviour need to be improved. There is also a desire to develop new applications for additive manufacturing using titanium alloys. In particular, wire-arc additive manufacturing has proven to be a good method for 3D printing Ti and Ti-6Al-4V.This work focuses on the development and characterisation of titanium alloys and titanium metal matrix composites with increased specific Young’s modulus using powder hot extrusion. Suitable titanium alloys and pure titanium with and without particle reinforcement are produced. The particle reinforcement is focused on titanium carbide and boron carbide. To obtain a uniform material, the extruded rods are heat-treated at 1000 °C for 90 hours. Both the extruded and heat treated rods are then characterised in terms of microstructure using optical and scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. X-ray diffraction is used to determine the phases. The mechanical properties are determined by Vickers hardness measurements and ultrasound stiffness measurements.Powder hot extrusion is suitable for the production of dense titanium metal matrix composites. The stiffness measurements show that it is possible to increase the specific Young’s modulus beyond 30 GPa/(g cm−3). Systems reinforced with 3 vol% boron carbide show an increase in specific stiffness of up to 34.6 GPa/(g cm−3) after heat treatment. This is explained by the in situ formation of titanium borides. High stiffness is also obtained when Ti-8Al-1Mo-1V and Ti-4Al-3Cu-2Fe are reinforced with 3 vol% titanium carbide. Remarkably, the Ti-8Al-1Mo-1V matrix shows improved properties after heat treatment with a specific stiffness of 30.7 GPa/(g cm−3), making the alloy interesting for subsequent wire manufacture. The mechanism behind this is suggested to be the formation of the ordered Ti3Al phase due to the heat treatment.In order to be commercially viable, the materials require further investigation into strength, ductility and anisotropy. Another challenge is the ability to form the rods into wire, where ductility is an important consideration.

Titanlegierungen spielen in der Luft- und Raumfahrt eine wichtige Rolle. Sie bieten eine hohe spezifische Festigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit bei geringem Gewicht. Die Gewichtseinsparung ist auch die treibende Kraft für die Entwicklung weiterer Legierungen, um andere Bauteile zu ersetzen, die derzeit aus Aluminium-, Eisen- oder Nickellegierungen bestehen. Dafür müssen bestimmte mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit oder Kriechverhalten verbessert werden. Darüber hinaus gibt es Bestrebungen, der additiven Fertigung mit Titanlegierungen neue Anwendungsfelder zu erschließen. Insbesondere hat sich die additive Fertigung mittels Lichtbogen als gute Methode für den 3D-Druck von Ti und Ti-6Al-4V erwiesen.Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung und Charakterisierung von stranggepressten Titanlegierungen und Titan-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (TMC’s) mit hohem spezifischem E-Modul. Dazu werden geeignete Titanlegierungen und Reintitan mit und ohne Partikelverstärkung hergestellt. Die Partikelverstärkung konzentriert sich auf Titankarbid und Borkarbid. Um ein homogenes Material zu erhalten, werden die stranggepressten Stränge 90 Stunden bei 1000 °C wärmebehandelt. Sowohl die stranggepressten als auch die wärmebehandelten Stränge werden anschließend mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie energiedispersiver Spektroskopie hinsichtlich ihrer Mikrostruktur charakterisiert. Zur Phasenbestimmung wird die Röntgendiffraktometrie eingesetzt. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften werden Vickers-Härtemessungen und Steifigkeitsmessungen mittels Ultraschall durchgeführt.Das Pulverstrangpressen ist für die Herstellung von dichten TMC’s geeignet. Steifigkeitsmessungen zeigen, dass eine Erhöhung des spezifischen Elastizitätsmoduls über 30 GPa/(g cm−3) hinaus möglich ist. Mit 3 vol% Borkarbid verstärkte Systeme zeigen nach der Wärmebehandlung eineerhöhte spezifische Steifigkeit von bis zu 34.6GPa/(g cm−3). Dies wird durch die in-situ-Bildung von Titanboriden erklärt. Dies ist bei Matrixsystemen aus Titan, Ti-6Al-4V und Ti-6.5Cu der Fall. Eine hohe Steifigkeit wird auch erreicht, wenn Ti-8Al-1Mo-1V und Ti-4Al-3Cu-2Fe mit 3 vol% Titankarbid verstärkt werden. Bemerkenswert ist, dass die Ti-8Al-1Mo-1V-Matrix nach der Wärmebehandlung verbesserte Eigenschaften mit einer Steigerung der spezifischen Steifigkeit auf 30.7 GPa/(g cm−3) zeigt, was diese Legierung für die Drahtherstellung interessant macht. Als Mechanismus wird die Bildung der geordneten Ti3Al-Phase infolge der Wärmebehandlung vermutet.Um für den kommerziellen Einsatz geeignet zu sein, müssen die Werkstoffe hinsichtlich Festigkeit, Duktilität und Anisotropie weiter untersucht werden. Eine weitere Herausforderung ist die Verarbeitbarkeit der hergestellten Stränge zu Drähten, wobei insbesondere die Duktilität eine wichtige Rolle spielt.