Development of titanium based composites via powder metallurgy

Abstract

Die Nachfrage und auch die Ansprüche an Materialien für verschiedene Anwendungsgebiete wie Raumfahrtindustrie, Biomedizintechnik, Hochbau oder Transport steigen fortwährend. Diese Tatsache ist die treibende Kraft für die Entwicklung von neuen Materialien, die nach den Anforderungen der Anwender hergestellt werden.<br />Die vorliegende Arbeit zielte auf die Entwicklung von Metal Matrix Composite-Materialien auf der Basis von Titan, d.h. Titanium Metal Matrix Composites (TiMMCs), über pulvermetallurgische Techniken. Die Titan-Pulvermetallurgie ermöglicht die Erzeugung von Bauteilen ohne nennenswerte Materialverluste und ohne den hohen Kostenaufwand, der mit der Verarbeitung von Ti über konventionelle Techniken vom Schmiedemetall verbunden ist, vor allem weegen der sehr schlechten Zerspanbarkeit von Titanwerkstoffen.<br />Es wurden Titanbasis-Matrices ausgewählt, die mit verschiedenen Materialien - TiB, Nano-Bor, Carbon nanofibers (CNFs) und Nano-Diamanten - verstärkt werden.<br />Zunächst wurden Ti-basierte Pulver (entweder Rein-Ti oder Titaniumhydride und Ti-6A1-4V) durch Kaltpressen und Sintern konsolidiert und die erhaltenen Körper charakterisiert (Härte, Dichte, Sauerstoff- und Stickstoffgehalt und Mikrostruktur), um das Sinterverhalten zu bewerten und die geeignetsten Pulver für die Erzeugung von TiMMCs auszuwählen. Das erarbeitete Sinterregime brachte saubere, sauerstoff- und stickstoffarme Produkte, sofern die interstitials nicht bereits über die Ausgangspulver eingeschleppt wurden; in diesem Fall kann der Gehalt während der Verarbeitung nicht nennenswert vermindert werden.<br />Danach wurden aus diesen Pulvern Ti-Basis-Verbundwerkstoffe über Kaltpressen und Sintern sowie zwei weitere Konsolidierungsmethoden (Konventionelles Axialheißpressen und Induktivheißpressen) hergestellt.<br />Die Probekörper wurden wie oben beschrieben charakterisiert; in einigen Fällen wurden auch Zug- bzw. Biegeversuche durchgeführt und die Bruchflächen fraktographisch untersucht.<br />Die Versuche zeigten, dass der Zusatz von Verstärkungsphasen die Verdichtung im allgemeinen behindert, d.h. in den MMCs verbleibt mehr Restporosität als in den monolithischen Matrixwerkstoffen. Zusatz von Nanobor mit Konsolidierung durch Heißpressen ergab z.T. überraschend gute, aber nicht eindeutig erklärbare mechanische Eigenschaften. Bei den CNFs erwies sich die Dispergierung als gravierendes Problem; bei allen Nanophasen ist die lokale Anreicherung an den ursprünglichen Partikelgrenzen ein Hindernis. Hier wäre die Verwendung entsprechend feiner Matrixpulver vorteilhaft, die aber wiederum mehr Sauerstoff einbringen würden. Die Reaktion der Verstärkungsphasen, vor allem CNFs und Nanodiamanten, war außer beim Hochtemperatursintern im Bereich 1200-1300°C kein Problem; im genannten Fall bildeten sich TiC-Phasen, die zwar ebenfalls verstärkend wirken, für die aber sehr viel kostengünstigere C-Träger verwendet werden können. Wenn die Konsolidierungstemperatur unter 920°C gehalten wird, bleiben die Verstärkungsphasen erhalten.<br />Insgesamt zeigte sich, dass wie generell in der Ti-Pulvermetallurgie, der Schlüssel zur Herstellung von Ti-MMCs in der Verfügbarkeit entsprechend hochwertiger, d.h. feiner und gleichzeitig chemisch reiner, Titanpulver liegt.<br />

Nowadays the demands and requirements in the aerospace, biomedical, structural and transport industry, etc. to materials are increasing. This fact is closely related to the development of new materials which are conceived to present outstanding properties and to achieve the needs required for the final user.<br />The research into new materials in this work is focused on the development of metal matrix composite materials, in particular titanium metal matrix composite (TiMMCs). Here, powder metallurgy (PM) offers the possibility of creating net-shape parts without the material loss and cost associated with machining intricate components from wrought stock material, Ti being notoriously difficult to machine.<br />This work is centred on the search for suitable titanium based metal matrices which are reinforced by different materials (boron and carbon based reinforcements).<br />Firstly, different titanium based powders (either pure titanium or titanium hydride and Ti-6Al-4V) were consolidated as metal matrix via cold pressing and sintering. In order to study the sintering behaviour of these materials and to select several of them for the fabrication of TiMMCs, a characterisation of all of them took place, involving measurements of hardness, density, oxygen content and microstructural analysis.<br />Secondly, after the selection of the most adequate matrix powders, the conventional cold pressing and sintering process in addition to two hot consolidation methods (Conventional Hot Pressing and Inductive Hot Pressing) were employed for the manufacturing of the composites. After their fabrication, a rigorous characterisation took place. Next, several comparisons of the obtained results were carried out.<br />The aim of this work, i.e. fabrication via PM of new TiMMCs improving the properties of the pure metal matrices, was not totally achieved because the reinforcement material in general did not improve the mechanical properties. There was a marked decrease of densification at higher reinforcement contenst (i.e. 20 mass% of TiB2). The incorporation of interstitials into the titanium based matrix from the reinforcement material was observed for the boron based reinforcements (10 mass% of oxygen in nano-boron particles). The carbonaceous reinforcement, in particular CNFs, was not effective because its dispersion in the titanium based matrix was not optimal. On another side, nano-diamond particles at high concentration caused the effect of particle boundary decoration; it might be avoided using finer starting matrix powders.<br />Additionally, admixed nano-diamonds reacted with the titanium of the matrix at higher sintering temperatures. For that reason the more suitable processing for this reinforcement is hot pressing below 900ºC.<br />Generally, it was confirmed that for Ti MMCs, as with Ti PM as a whole, the key to success is the availablility of high quality, i.e. fine and chemically pure, matrix powders.<br />