Technische Hochschule Ingolstadt Forschungsbericht 2019

60 Kompetenzfeld Werkstoff- und Oberflächentechnik
Entwicklung eines Metallmatrix-Composites mit
hoher Kriechfestigkeit und reduziertem Gewicht
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Tetzlaff
Werkstofftechnik
Georges Lemos
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Projektnehmer/Fördermittelgeber
Development of a TiCp reinforced Ni-Based
Superalloy MMC, with high creep resistance and
reduced weight
Metal Matrix Composites are a subject to the research
in the strategic partnership AWARE, between the Brazilian
University of Florianópolis (UFSC) and THI. With
the objective to develop novel creep resistant materials, a
Ni-based superalloy was reinforced with 15 vol.% of TiC
particles by a powder metallurgy route. The microstructure
was analyzed with SEM and XRD techniques. Compressive
creep tests were performed at 800 °C with 200
MPa, on both original and reinforced alloys. Initial compressive
creep results showed significant improvements
on the MMC creep resistance over the original material at
800 °C, with longer times to reach 1 % of strain (205 %
gain) and tertiary creep stage (114 % gain). The study
shows how the inclusion of a highly compatible particle
reinforcement does not only improves the creep resistance,
but also reduces the material weight, thus having
potential to promote further reduction in the creep rate on
turbine blades submitted to centrifugal forces.
In Kooperation mit dem AWARE-Programm (Applied Network on Automotive
Research and Education), einer Partnerschaft mit Brasilien, wurde eine
vielversprechende Forschungslinie für Metal Matrix Composites (MMCs)
etabliert. Dieses Thema profitiert von der Expertise der Professoren in
Deutschland, wie Prof. Dr.-Ing. Ulrich Tetzlaff (THI) und Prof. Dr.-Ing. Florian
Pyczak (Helmholtz-Zentrum Geesthacht und Brandenburgische Technische
Universität Cottbus) sowie von Prof. Dr.-Ing. Marcio Fredel (Universidade
Federal de Santa Catarina, Brasilien). Die Partnerschaft ermöglicht es
Professoren und Studierenden aus beiden Ländern ins Ausland zu reisen,
um an innovativen Themen zu arbeiten, beispielsweise an einer neuen
Generation von Materialien für die Mobilität.
Die Verbesserung von Flugzeugtriebwerken ist unerlässlich, um Flüge
wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu machen. Mit dem Fokus auf
Gasturbinenelemente wird ein neuer Verbundwerkstoff für den Einsatz für
Schaufeln und Scheiben vorgeschlagen. Durch Zugabe von Titancarbiden zu
einer Superlegierung auf Ni-Basis kann ein Material hergestellt werden, das
gleichzeitig eine hohe Kriechfestigkeit bietet und Gewicht spart.
Auf pulvermetallurgischem Wege wurde eine MMC mit 15 Vol. % TiC
hergestellt und Druck-Kriechversuchen unterzogen. Die Charakterisierung
der Mikrostruktur erfolgte mittels der Rasterelektronenmikroskopie (REM)
und der Röntgendiffraktometrie (XRD). Aus der Analyse lässt sich ableiten,
dass zwischen der Legierung und den Keramikpartikeln eine sehr gute
Verbindung besteht, wobei die Anreicherung der zugesetzten TiC-Phase
durch Nb (Abbildung 1) erfolgt und es dadurch zur Bildung der gemischten
intermetallischen Verbindung (Ti, Nb)C kommt (Abbildung 2). Die Kriechversuche
(Abbildung 3) bestätigten die in der Mikrostrukturanalyse beobachtete
gute Kohäsion und zeigen eine signifikante Erhöhung der erforderlichen
Zeiten, um eine Dehnung von 1 % (+205 %) sowie das Kriech-Tertiärstadiums
(+114 %) zu erreichen. Neben dem höheren Kriechwiderstand weist
das neue Material eine Gewichtsreduktion von 6 % auf, wodurch bei einer
Turbinenanwendung die Zentrifugalkräfte sinken und sich damit ein weiteres
Potenzial für Reduktion der Kriechraten ergibt.
Abbildung 1 – REM-Aufnahme
von Inconel X-750,
verstärkt mit 15 Vol.-% TiC.
Vergrößerung: 20.000x.
Quelle Abbildungen: THI
Abbildung 2 – XRD-Profil der
verstärkten Legierung, wobei
sowohl NbC- als auch TiC-
Peaks vorhanden sind.
Abbildung 3 – Druck-
Kriechkurven von Originalund
verstärkten Legierungen
aus Versuch bei 800 °C mit
200 MPa.