Wasserstoff als temporäres Legierungselement zur Erzeugung spezifischer Gefügegradienten in der (α+β)–Ti-Legierung Ti–6Al–4V

Abstract

Technical components are subject to increasing demands with regard to durability and reliability. To meet these expectations, the development of thermochemical processes for an unerring and reproducible microstructure adjustment is necessary. Titanium alloys allow temporary alloying with hydrogen as part of the heat treatment, thus called thermo-hydrogen treatment (THT). The present work intends to produce a local microstructural adjustment of Ti–6Al–4V by means of THT by changing the local distribution of strengthening precipitates and the grain size as a function of the distance to the surface (microstructural gradient), which should improve the fatigue properties of the material. For the THT parameter values selection, the hydrogen diffusion coefficient and the hydrogen solubility are determined as material parameters. In addition, the THT parameters are evaluated by determining fatigue crack propagation resistance and fracture toughness as a function of solution heat treatment and evaluating different microstructural gradients after hydrogen loading and degassing by means of numerically simulated hydrogen concentration profiles, hardness curves, metallographic investigations and phase analysis using X-ray diffractometry and TEM. The results prove that a desired microstructural gradient can be achieved by hydrogen charging at 500°C and degassing at 750°C followed by an aging at 550°C. Modelling of kinetics and thermodynamics of the Ti–H interaction reproduces the experimentally generated microstructural gradients in a good approximation and provides the basis for further optimization of the process. The evaluation of the resulting mechanical properties is carried out by tests on a miniature testing machine, which allows in-situ observation of fatigue crack initiation and propagation on a laser microscope, alternating deformation tests to determine the fatigue life as a function of the stress amplitude as well as tensile tests. The investigation shows that THT-induced microstructural grading extends the fatigue life of conventionally and additively manufactured specimens by a factor of 3 – 6 compared to a homogeneous reference microstructure at HCF, and also offers the prospect of enhanced fatigue strength on a near-component demonstrator by means of hardness gradient existing before THT, which THT increases by 4 – 5 %.

Technische Bauteile sind wachsenden Anforderungen bezüglich ihrer Lebensdauer und Haltbarkeit ausgesetzt. Daher ist es erforderlich, thermochemische Prozesse zu entwickeln, um die Gefügeeinstellung gezielt vornehmen zu können. Titanlegierungen (Ti-Legierungen) erlauben eine Wärmebehandlung unter temporärer Wasserstoffbeladung (THT, engl. Thermohydrogen Treatment). Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab das lokale Gefüge an Ti–6Al–4V mithilfe von THT anzupassen, indem die Verteilung von festigkeitssteigernden Ausscheidungen und die Korngröße in Abhängigkeit vom Abstand zur Oberfläche variiert wird (Gefügegradient). Der Gefügegradient soll dabei eine Verbesserung der Ermüdungseigenschaften des Materials zur Folge haben. Zur THT-Parameterauswahl werden der Wasserstoffdiffusionskoeffizient und die Wasserstofflöslichkeit als Werkstoffkennwerte bestimmt. Darüber hinaus erfolgt eine Evaluation der THT-Parameter, indem der Ermüdungsrissausbreitungswiderstand und die Bruchzähigkeit in Abhängigkeit von der Lösungsglühbehandlung ermittelt werden. Zudem werden verschiedene Gefügegradienten nach Wasserstoffbeladung und -entgasung mittels numerisch simulierter Wasserstoffkonzentrationsprofile, Härteverläufen, metallographischen Untersuchungen und Phasenanalyse mit Röntgendiffraktometrie und TEM evaluiert. Die Ergebnisse belegen, dass der gewünschte Gefügegradient durch Wasserstoffbeladung bei 500°C und -entgasung bei 750°C sowie einer Auslagerung bei 550°C eingestellt werden kann. Eine mechanismenbasierte Modellierung der Thermodynamik und Kinetik der Ti– Wechselwirkung bildet die experimentell erzeugten Gefügegradienten in guter Näherung ab und liefert die Grundlage für eine weitere Optimierung des Verfahrens. Die Bewertung der resultierenden mechanischen Eigenschaften erfolgt durch Versuche an einer Miniaturprüfmaschine, die eine in situ Beobachtung der Ermüdungsrissentstehung und -ausbreitung mit einem Lasermikroskop ermöglicht, durch Wechselverformungsversuche zur Bestimmung der Ermüdungslebensdauer in Abhängigkeit von der Spannungsamplitude sowie durch Zugversuche. Die Untersuchung zeigt, dass die THT-induzierte Gefügegradierung die Ermüdungslebensdauer konventionell und additiv gefertigter Proben im Vergleich zu einem homogenen Referenzgefüge im Zeitfestigkeitsbereich um den Faktor 3 – 6 verlängert. Eine Verbesserung wird auch an einem bauteilnahen Demonstrator in Form eines vor THT vorhandenen Härtegradienten, der durch THT um 4 – 5 % erhöht wird, in Aussicht gestellt.