Entwicklung und Charakterisierung einer Ti-Legierung mit hoher spezfischer Steifigkeit und geringer Gefüge-Anisotropie

Abstract

Titan und seine Legierungen sind dank der guten spezifischen mechanischen Eigenschaften und der geringen Dichte bereits einige Zeit etablierte und wichtige Werkstoffe für Strukturanwendungen in der Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie. In den letzten Jahren wurde die additive Fertigung aufgrund mannigfaltiger Vorteile eine immer attraktivere Herstellroute.Beim 3D-Druck von Titanlegierungen treten jedoch noch Probleme auf, die einer Lösung bedürfen. So wachsen in der additiven Fertigung handelsüblicher Legierungen, wie Ti und Ti-6Al-4V, Stängelkristalle in Aufbaurichtung des Bauteils.Ziel dieser Arbeit ist es daher, einerseits Legierungen zu finden, die diese Neigung zum Stängelkristallwachstum nicht zeigen. Andererseits sollte auch eine Erhöhung der spezifischen Steifigkeit durch Partikelverstärkungen angestrebt werden. Dazu wurden verschiedene Titanlegierungen im Rinnenofen unter Ar-Atmosphäre geschmolzen und das Gefüge hinsichtlich Stängelkristallwachstum untersucht. Die partikelverstärkten Proben wurden über Strangpressen von Pulvermischungen hergestellt. Die Analyse erfolgte durch Lichtmikroskopie, REM und EDX. Zusätzlich wurden auch Härtemessungen nach Vickers, E-Modulmessungen mittels Ultraschall und Dichtemessungen nach Archimedes durchgeführt. Da viele Partikel mit Titan reagieren, wurden auch Wärmebehandlungen unter Ar-Atmosphäre durchgeführt und die Proben mittels REM und XRD charakterisiert.Dabei zeigte sich, dass bei Legierungen wie Ti-5,94Al-3,96V-0,60Zr-0,40Y oder Ti-7Al-1,5B das Stängelkristallwachstum vollständig oder zumindest teilweise unterdrückt werden konnte. Zusätzlich konnte bei vielen partikelverstärkten Proben eine Steigerung des E-Moduls beobachtet werden. Außerdem konnte bewiesen werden, dass durch das Strangpressen Reaktivsysteme aus Partikeln und der Titanmatrix bis zu einem gewissen Grad unterdrückt werden können.In weiterführenden experimentellen Untersuchungen muss geklärt werden, ob sich diese Werkstoffe auch zur Fertigung eines Filaments für die drahtbasierte additive Fertigung verarbeiten lassen und somit für den drahtbasierten 3D-Druck geeignet sind. Außerdem müssen auch noch andere mechanische Kennwerte wie die Zugfestigkeit, oder die Bruchdehnung der hergestellten Werkstoffe untersucht werden.

Titanium and its alloys have been established materials for structural applications in the aerospace industry for some time because of their good specific mechanical properties and their low density. In recent years, additive manufacturing has become an increasingly attractive manufacturing route due to manifold advantages. However, there are still problems in 3D-printing of titanium alloys that need to be addressed. For example, in additive manufacturing of commercially available alloys, such as Ti and Ti-6Al-4V, columnar crystals grow in the build-up direction of the part.The aim of this work is therefore, on the one hand, to find alloys that do not exhibit this tendency to columnar crystal growth. On the other hand, an increase in specific stiffness by particle strengthening should also be achieved. Various titanium alloys were melted via induction heating under an Ar-atmosphere and the microstructure was investigated with regard to columnar crystal growth. The particle reinforced samples were prepared via hot extrusion of powder mixtures. Analysis was performed by optical microscopy, SEM and EDX. In addition, Vickers hardness measurements, Young’s modulus measurements by ultrasound, and Archimedes density measurements were performed. Since many particles react with titanium, heat treatments under Ar-atmosphere were also performed and the samples were characterized by SEM and XRD.This showed that for alloys such as Ti-5,94Al-3,96V-0,60Zr-0,40Y or Ti-7Al-1.5B, the columnar crystal growth could be completely or at least partially suppressed. In addition, an increase in Young's modulus was observed in many particle reinforced samples. Furthermore, it could be proven that hot extrusion can suppress reactive systems of particles and the titanium matrix to a certain extent. Further experimental investigations need to clarify whether these materials can also be processed to produce a filament for wire-based additive manufacturing and are thus suitable for wire-based 3D printing. In addition, other mechanical parameters such as tensile strengthor elongation at break of the manufactured materials also need to be investigated.