TiAl

TiAl

Bei Titanaluminiden (TiAl) handelt es sich um intermetallische Verbindungen aus Titan und Aluminium. Sie sind sowohl als Strukturwerkstoff wie auch als Beschichtungsstoff darstellbar.

Inhaltsverzeichnis

Struktur

Im binären Phasendiagramm Titan-Aluminium nach Murray, McCullough und Huang existieren mindestens vier intermetallische Phasen.[1] Die beiden wichtigsten sind das hexagonale α2–Ti3Al, welches bei Raumtemperatur etwa 25 bis 35% Aluminium enthalten kann und das γ–TiAl mit 50 bis 55% Aluminium, L10-Überstruktur und einer tetragonal verzerrten kubisch flächenzentrierten Elementarzelle. Einige der technisch bedeutsamen Ti-Al-Legierungen bestehen bei Aluminiumgehalten zwischen 35 und 50% auch aus einem Gemisch dieser beiden Phasen.

Daneben gibt es noch die weniger temperaturbeständigen Phasen TiAl2 mit etwa 65% und η–Al3Ti mit ca. 75% Aluminium. Die geordneten Phasen Ti2Al5 und Ti5Al11 sind noch nicht hinreichend untersucht.[1]

Eigenschaften

Titanaluminide weisen bei geringer Dichte (3.8 g/cm³) sehr gute Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften (160 GPa[2]) auf und sind bei Temperaturen bis zu 750°C kriechfest [3]. Diese technologisch wichtigen Eigenschaften prädestinieren sie als Leichtbauwerkstoff und können für bestimmte Bauteile (z. B. Gasturbinen) Nickellegierungen mit wesentlich höherer Dichte (8.5 g/cm³) ersetzen. Dem großen Vorteil des geringen Gewichtes stehen jedoch die Probleme

  • hoher Preis sowie
  • hohe Oberflächenoxidation gegenüber.

Die Oberflächenoxidation limitiert die maximale Arbeitstemperatur auf ca. 750 °C. In Forschungsprojekten wird daher versucht, dem Material weitere Einsatzbereiche zu erschließen:

  • An der TU Chemnitz wurde 2005 ein kostengünstigeres Herstellungsverfahren entwickelt und patentiert.[4] Es nutzt Abfälle aus der Titan- und Aluminiumproduktion, die in einem Sinterprozess zu Titantrialuminiden verarbeitet werden.
  • Das Karl-Winnacker-Institut (DECHEMA) arbeitet an schützenden Oberflächenbeschichtungen durch Halogenierung, welche die Oxidationsbeständigkeit deutlich verbessern und somit den nutzbaren Temperaturbereich auf über 1000 °C ausdehnen.[5]
  • Das Institut für spanende Fertigung (ISF) der Technische Universität Dortmund arbeitet am Einsatz von γ-Titanaluminid als Werkstoff für Pleuel und Ventile in Kfz-Motoren.[6]
  • Am Institut für Werkstoffforschung des GKSS-Forschungszentrum Geesthacht werden in enger Kooperation mit Industrieunternehmen Legierungen für den Einsatz in Motoren und Turbinen auf Basis von γ-Titanalumiden sowie geeignete Herstellverfahren für Gieß- und Umformtechnologien entwickelt.[7]

Quellen

  1. ↑ a b T. Majewski: Spurenbestimmung metallischer Verunreinigungen in γ-TiAl und den hochreinen Ausgangsmaterialien Al und Ti mittels ICP-Massenspektrometrie., Diss., S. 5. sowie Quellen [14]-[19]
  2. ↑ H. Richter, W. Smarsly: Röntgenografische Spannungsmessungen an dem Titanaluminid-Werkstoff Ti48Al2Cr. (Abstract) Wehrwissenschaftliches Institut für Materialuntersuchungen, Erding
  3. ↑ Titanaluminid-Legierungen auf dem Weg in die Anwendung., GKSS-Forschungszentrum
  4. ↑ TU Chemnitz: Neues Herstellverfahren für Titanaluminide
  5. ↑ Dechema-Projekt zum Halogeneffekt an Titanaluminiden
  6. ↑ Gamma-Titanaluminid-Pleuel
  7. ↑ Metallphysik, GKSS-Forschungszentrum

Weblinks


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