Titanaluminide

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

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 auf 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.^[2] 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.^[3]
• 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.^[4]

Quellen

1. ↑ ^{a b} Diss. Majewski in [1], S. 5. sowie Quellen [14]-[19]
2. ↑ TU Chemnitz: Neues Herstellverfahren für Titanaluminide in [2].
3. ↑ Dechema-Projekt zum Halogeneffekt an Titanaluminiden in [3]
4. ↑ Gamma-Titanaluminid-Pleuel