Effizienter Oxidationschutz von TiAl Legierungen durch „Plasma Based Ion Implantation“ mit Halogenen

 

TiAl Legierungen

Attraktives Leichtmetal für anspruchsvolle Anwendungen

 
  • Dichte 3.7 – 4.0 g/cm3

  • Hoher Schmelzpunkt (~ 1600 °C)

  • Gute mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen

  • Gutes Festigkeits-zu-Masse Verhältnis

  • Luft- und Raumfahrt

  • Fahrzeugbau

  • Energieerzeugung

 

Problem

Lösung

Ergebnis

  • Schlechter Oxidationswiderstand bei Temperaturen über 700 °C

  • Notwendiger Temperatur Bereich für anspruchsvolle Anwendungen: 700 ° – 1100 °C

  • Ionenimplantation von Halogenen, besonders Fluor

  • Konventionelle Ionenimplantation (Beamline ion implantation BLII)

  • Plasma based ion implantation (PBII)

 

TiAl Legierungen, die durch Ionenimplantation mit Fluor modifiziert werden, bilden eine stabile, festhaftende und hochwirksame Schutzschicht gegen Oxidation, während die mechanischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials erhalten bleiben. Die Schutzschicht passt sich strukturell und mechanisch gut an. Im Ergebnis sind Bauteile aus solchen Legierungen wirkunsvoll gegen Oxidation in Luft selbst bei Temperaturen bis 1100°C geschützt.

Oxidationsverhaltens von γ-TiAl

 

ERDA Profile der Elemente in einer γ-TiAl

Vergleich des Oxidationsverhaltens von γ-TiAl vor und nach der Prozessierung mit BLII and PBII of F. Einfügungen: oben links -neuer Turbolader und mit anschließender Belastung in Luft bei 1050 °C für 1200 h; unten rechts - ein gleiche Rotor nach Fluor Behandlung, Belastung in Luft bei 1050 °C für 1200 h.

 

 

ERDA Profile der Elemente in einer γ-TiAl Probe nach optimierter PBII of F (30 kV, 400 W, 750 Hz, 106 Impulse). Die Effektivität des PBII Prozesses zeigt sich in der kurzen Implantationszeit von nur 20 min für die hohe F Dosis von 3 - 6x1017 cm-2.

 

γ-MET Probe

 

Turbinenblatt aus einer TNB Legierung

γ-MET Probe nach isothermischer Oxidation in Luft bei 900°C für 120 h (a).. Querschnitt der gleichen, unbehandelten Probe (b). γ-MET Probe mit PBII von F nach isothermischer Oxidation in Luft bei 900°C für 120 h (c). Querschnitt der gleichen Probe (d).

 

Turbinenblatt aus einer TNB Legierung nach Prozessierung mit PBII von F (a) gefolgt     durch eine thermische zyklische Oxidation in Luft bei 720°C für 25 Tage (b). SEM/EDX Analyse zeigt die Bildung einer durchgehenden Al2O3 Schutzschicht nach F Implantation und Oxidation.

Projekte:

"Einfluss einer oberflächennahen Dotierung auf die Oxidationskinetik von TiAl-Werkstoffen" (Volkswagenstiftung/I/72 726)
"Oxidationsschutz für neuartige Hochtemperatur-Leichtbauwerkstoffe durch Ionenimplantation (1)" (AiF Nr. 31ZBG)
"Oxidationschutz für neuartige Hochtemperatur-Leichtbauwerkstoffe durch Ionenimplantation (2)" (AiF Nr.104ZBG)
"Oxidationschutz für neuartige Hochtemperatur-Leichtbauwerkstoffe durch Ionenimplantation (3)" (AiF-Nr. 176 ZBG)
"Grenzen des Halogeneffektes für TiAl-HAT-Leichtbaulegierungen" (AiF-Nr. 177 ZN)
"Grenzen des Halogeneffekts für TiAl-Hochtemperaturleichtbaulegierungen unter industriellen Bedingungen (2)" (AiF 262 ZBG)
"Eine Haifischhaut für Hochtemperturanwendungen (1)" (DFG SPP 1299/sub)
"Eine Haifischhaut für Hochtemperturanwendungen (2)" (DFG SPP 1299/sub)
“Oxidationschutz für neuartige Hochtemperatur-Leichtbauwerkstoffe durch Ionenimplantation” (AiF-No. 176 ZBG)

Partner:

DECHEMA e.V. Frankfurt
Rolls-Royce Deutschland
MTU Aero Engines München
GKSS
TU Freiberg
GfE Metalle und Materialien GmbH Nürnberg
Universität Frankfurt/M
Plansee
DaimlerChrysler
TechnoCoat
Tital
GfKORR