Untersuchungen zur Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehung einer neuen Automaten-Titanlegierung

Lanthanhaltige Titanlegierungen bilden bei zerspanender Bearbeitung Bröckelspäne aus.  Dies ermöglicht eine schnellere Bauteilfertigung. Im Gegensatz zur Standardlegierung TiAl₆V₄, die lange, gewickelte Späne bildet, muss der Zerspanungsprozess bei den lanthanhaltigen Legierungen nicht unterbrochen werden, um Späne aus der Prozesszone zu entfernen. Vor diesem Hintergrund wurden die lanthanhaltigen Legierungen TiAl₆V₄La_x (x = 0,9, 1,5 bzw. 2,8) eingehend untersucht, wobei insbesondere der Zusammenhang zwischen Mikrostrukturentwicklung, mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit der neuen lanthanhaltigen Automaten-Titanlegierungen geklärt werden sollte.

Da Lanthan in Titan bei Raumtemperatur schlecht löslich ist, bilden sich für alle thermo-mechanischen Zustände Mikrostrukturen aus einer (α+β)-Titanmatrix und metallischen Lanthanpartikeln aus. Die Partikel haben eine Größe von ca. 3 µm und befinden sich auf den Korngrenzen. Das Gefüge der Legierungen, welches nach dem Guss martensitisch vorliegt, wandelt sich im Zuge nachfolgender thermomechanischer Behandlungen in ein Widmannstätten-Gefüge um. Die Korngrößen werden mit zunehmendem Lanthangehalt kleiner, da die Partikel in den lanthanhaltigen Legierungen die Korngrenzen stabilisieren. Wärmebehandlungen bis 1100 °C führen nur geringfügig zu Kornwachstum.

Die gegenüber der Standardlegierung verringerten Korngrößen führen zu etwas höheren Festigkeiten im Zugversuch von etwa 940 MPa. Die Duktilität ist jedoch mit 10,5 % niedriger. Die Partikel sind potenzielle Risseinleitungsstellen und bei einer hohen Zahl an Partikeln (= hoher Lanthangehalt) können Risse bevorzugt entlang dieser wachsen. Diese Tatsache erklärt auch die gegenüber der Legierung TiAl₆V₄ um etwa 10 % niedrigere Dauerfestigkeit im Ermüdungsversuch.
Die Korrosionseigenschaften der Legierungen wurden mit Hilfe von elektrochemischen Untersuchungsmethoden (Stromdichte-Potentialkurven, Impedanzspektroskopie) und Aus-lagerungsversuchen in verschiedenen Medien charakterisiert. In sehr aggressiven Medien, z. B. in Schwefelsäure oder bei Anwesenheit von Fluorid, in denen auch die Standardlegierung stark angegriffen wird, führen die auf den Korngrenzen lokalisierten Lanthanpartikel teilweise zu kerbenförmigen Korrosionsstrukturen, die die mechanische Festigkeit stark verringern. In überwiegend chloridhaltigen Lösungen weisen die neuen Automaten-Titanlegierungen bis auf die oberflächliche Herauslösung der Lanthanpartikel vergleichbare Korrosionseigenschaften auf, wie die Standardlegierung, wobei sich die Legierungen im Gusszustand und nach der thermomechanischen Behandlung ähnlich verhalten.

Die Legierung TiAl₆V₄La_0,9 wurde industriell hergestellt. Aus dem dabei entstandenen Material wurden verschiedene Musterbauteile gefertigt. Im Vergleich zur Standardlegierung konnten kürzere Fertigungszeiten für die lanthanhaltige Legierung realisiert werden. Gleichzeitig wurden die Bearbeitungsparameter höher eingestellt. Die Bauteile wiesen eine sehr gute Oberflächenqualität auf.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 04/07 bis 12/09 an der Technischen Universität Braunschweig, Institut für Werkstoffe (Langer Kamp 8, 38106 Braunschweig, Tel.: 0531/391-3061) unter Leitung von Prof. Dr. J. Rösler (gleichzeitig Leiter der Forschungsstelle) und bei der DECHEMA e.V., Karl-Winnacker-Institut (Theodor-Heuss-Alle 25, 60486 Frankfurt am Main, Tel.: 069/7564-0) unter Leitung von Dr. W. Fürbeth (Leiter der Forschungsstelle Dr. K. Wagemann).

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