Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hochtemperaturverschleißschutzschichten für TiAl-Legierungen

Intermetallische Legierungen auf Basis von Titan und Aluminium, die Titanaluminide, zeichnen sich im Gegensatz zu den derzeit verwendeten Ni-Legierungen vor allem durch eine bis zu 50% geringere Dichte aus. Leichtere Komponenten aus TiAl steigern somit die Effizienz neuer Automobilmotoren und Flugzeugtriebwerke. Weiterhin bieten Titanaluminide attraktive thermophysikalische Eigenschaften. Alle diese Eigenschaften prädestinieren Titanaluminide als Werkstoffmaterial für oszillierende und rotierende Komponenten bei hohen Temperaturen.

Der mangelhafte Oxidationswiderstand bzw. die ungenügende Verschleißfestigkeit dieser neuen Werkstoffklasse verhindern allerdings einen Einsatz bei Temperaturen oberhalb von ca. 800°C.

Das Ziel dieses neuen Projekts ist es daher, in einem kombinierten Verfahren eine verschleißfeste Schicht auf technischen TiAl Legierungen aufzubringen, die zugleich als Oxidationsschutzschicht dient. Die Schicht soll aus Nitriden und /oder Carbiden von Titan und Aluminium bestehen, die bei Hochtemperaturexposition in oxidierenden Atmosphären eine schützende Aluminiumoxidschicht ausbilden. Deren Schutzwirkung wird anschließend in unterschiedlichen Auslagerungsversuchen untersucht. Die in der Schicht eingelagerten Nitride/Carbide des Titans, bekannte Hartstoffpartikel, bewirken den Verschleißschutz, der ebenfalls durch verschiedene Untersuchungsmethoden nachgewiesen wird.

Durch die Kenntnis geeigneter Beschichtungsmaßnahmen gegen Verschleiß und Oxidation von TiAl-Legierungen können Zuliefererunternehmen, in der Regel kleine und mittelständische Unternehmen, nicht nur national, sondern auch international ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern und durch Verwertung dieser Produktneuheit neue Anwendungen umsetzen. Durch die Ergebnisse erlangen die beteiligten, deutschen, kleinen und mittelständischen Unternehmen während der Projektlaufzeit einen weltweiten Technologievorsprung.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des vorliegenden Vorhabens bestand in der Entwicklung einer Oxidations- und Verschleißschutzschicht für TiAl-Legierungen und deren Hochtemperatureinsatz in oxidierenden Atmosphären.

Im Zuge von Oxidationsuntersuchungen an den unbeschichteten Legierungen im Temperaturbereich von T < 700°C zeigte sich bereits ein beträchtlicher Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, der auf mikrostrukturelle Veränderungen in der Metallrandzone zurückgeführt werden konnten.

Hinsichtlich des Verschleißverhaltens wiesen alle untersuchten Materialien (Ti- und TiAl-Basis) einen starker Temperatureinfluss auf, der in zunehmenden Verschleißraten mit steigenden Temperaturen resultierte. Gerade im Temperaturbereich, der den aktuellen Einsatzbereich von TiAl-Turbinenschaufeln abdeckt (ca. 400-700°C), wurden maximale Verschleißraten gemessen.

Im zweiten Teil des Vorhabens wurden zwei Schutzschichtsysteme entwickelt und analog untersucht. Der eher "klassischere" der beiden Ansätze sah das Abscheiden von Alitierschichten via Pack-Zementierung vor und führte zu einer deutlichen Verbesserung des Oxidationsverhaltens und dem Erhalt der Mikrostruktur in der Randzone. Weiterhin besitzen die Alitierschichten bei bis zu 400°C eine sehr gute Verschleißresistenz. Nachteilig zu erwähnen ist hierbei die Sprödigkeit der Schichten bei Raumtemperatur, welche einen deutlichen Einfluss auf die Bruchdehnung der Proben besitzt.

Der "neuartigere" Ansatz bestand in der Abscheidung einer Cr2AlC MAX-Phasen-Schicht via Magnetronsputtering und Kristallisationsglühung. Die beschichteten Proben besaßen eine herausragende Oxidationsresistenz bei bis zu 800°C sowie ausgewogene mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur. Der sukzessiven Al-Verarmung der Schicht im Zuge der Auslagerungen kann mittels einer Diffusionsbarriere entgegengewirkt werden, so dass die MAX-Phasen insgesamt als sehr vielversprechend hinsichtlich deren Einsatz als Schutzschicht für TiAl eingestuft werden können.