Schichtentwicklung zum Oxidationsschutz von Titanaluminiden mittels HS-PVD

• Coating development for the oxidation protection of titanium aluminides by means of HS-PVD

Liang, Tiancheng; Bobzin, Kirsten (Thesis advisor); Oechsner, Matthias (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriftenreihe Oberflächentechnik 62
Seite(n)/Artikel-Nr.: xiv, 143, Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Vor dem Hintergrund stetig steigender Anforderungen an die Effizienzerhöhung und Emissionsreduzierung in der Luft- und Raumfahrtindustrie bietet der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen einen vielversprechenden Ansatz, den Wirkungsgrad des Triebwerks durch eine verringerte Massenträgheit zu steigern und dabei den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Hierbei haben Titanaluminide auf der Basis von γ-TiAl in den letzten Jahren signifikant an Bedeutung gewonnen. Mit einer geringen Dichte von ρ ≈ 3,9 g/cm3, vielversprechender Hochtemperatur-festigkeit sowie hoher Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bis T = 750 °C zeigen diese Legierungen ihre Eignung als Ersatz für konventionelle Ni-Basislegierungen zur Herstellung bewegter Bauteile für Hochtemperaturanwendungen. Bei höheren Anwendungstemperaturen T > 750 °C sind jedoch Oxidationsschutzmaßnahmen erforderlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Schutzschichten gegen Hochtemperaturoxidation für γ-TiAl-Legierungen mittels High Speed Physical Vapour Deposition (HS-PVD). Diese PVD-Verfahrensvariante zeichnet sich durch hohe Abscheideraten, dichtes Plasma und stabile Prozessführung beim reaktiven Sputtern aus, die die Herstellung von oxidationsbeständigen PVD-Beschichtungen besonders attraktiv machen. Im ersten Teil der Arbeit wird die Prozessentwicklung, die die Grundlagen für die nachfolgende Schicht-entwicklung bildet, vorgestellt. Hierzu werden Referenzbeschichtungen mit systematisch variierenden Parameterkombinationen hergestellt und charakterisiert, um ein auf die zu entwickelnden Schichtsysteme abgestimmtes Prozessfenster zu ermitteln. Im zweiten Teil der Arbeit werden neuartige Schichtsysteme mittels HS-PVD entwickelt und untersucht. Insgesamt werden vier Schichtsysteme basierend auf (Cr,Al)ON, CrAl, SiAl und SiAlY entwickelt und hinsichtlich der Eignung zum Oxidationsschutz von γ-TiAl-Legierungen bewertet. Die Oxidationsbeständigkeit und das Interdiffusionsverhalten der beschichteten Proben werden mittels isothermer bzw. thermozyklischer Auslagerungsversuche bei einer anwendungs-relevanten Temperatur T = 950 °C untersucht. Abschließend wird ein neuartiger in situ-Wärmebehandlungsprozess bestehend aus Vakuumglühung und Voroxidation in der Beschichtungskammer vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die mittels HS-PVD hergestellten Beschichtungen in Verbindung mit der in situ-Wärmebehandlung eine vielversprechende Lösung für den Hochtemperaturoxidationsschutz von γ-TiAl-Legierungen darstellen.