Teilprojekt A03 Pulverformgebungsverfahren

Sauerstoff beeinflusst den Fertigungsprozess von sauerstoffaffinen Werkstoffen und kann bereits in geringsten Mengen die resultierenden Eigenschaften positiv oder negativ verändern. Untersuchungen zur Herstellung von γ-basierten Titanaluminiden (TiAl) zeigen eine starke Abhängigkeit der Gefügeentwicklung und damit der physikalischen und technologischen Eigenschaften vom Sauerstoffgehalt. Allgemein besitzt diese Werkstoffgruppe ein hohes Anwendungspotenzial in der Automobil-, sowie Luft- und Raumfahrtindustrie aufgrund der hohen Warmfestigkeit bei gleichzeitig sehr geringer Dichte. Jedoch sind Titanaluminide aufgrund ihrer Sprödigkeit schwierig zu verarbeiten, sodass vorrangig die verfahrens- und anlagentechnisch aufwendigen Verfahren Isothermschmieden oder heiß-isostatisches Pressen (HIP) eingesetzt werden. Die konventionelle pulvermetallurgische Herstellung mittels Matrizenpressen und Sintern führte bisher aufgrund von Verunreinigungen zu unzureichenden Ergebnissen hinsichtlich der relativen Dichte sowie der technologischen und physikalischen Eigenschaftenn

Allgemein führt interstitiell gelöster Sauerstoff zu einer erhöhten Verfestigung von metallischen Pulverwerkstoffen. Infolgedessen kann die Kompressibilität des Pulvers stark reduziert werden, wodurch beim Pulverpressen nur schwache und verhältnismäßig wenige Oberflächen-Kontakte zwischen den Pulverteilchen aufgebaut werden. Beim anschließenden Sinterprozess behindert zudem der Sauerstoff in Form von oberflächlichen Oxidschichten auf den Pulverpartikeln die Diffusionsvorgänge (siehe Abbildung 1). Insgesamt wird durch den Sauerstoff also die Konsolidierung von Pulverwerkstoffen stark eingeschränkt. Bei TiAl-Legierungen wirkt Sauerstoff als Stabilisator der α₂-Phase, die zum einen sehr spröde ist und zum anderen eine sehr hohe Löslichkeit für Sauerstoff ausweist, was die beschriebenen Problematiken weiter steigert. Daraus ergibt sich die Arbeitshypothese des Teilprojekts, dass die sauerstofffreie Verarbeitung von TiAl-Pulvern die Konsolidierung und letztendlich die Werkstoffqualität deutlich verbessert, indem einerseits die Duktilität und damit Kompressibilität erhöht wird und andererseits Diffusionsprozesse – insbesondere aufgrund einer Pulver-Desoxidation – begünstigt werden.

Die Basis für die unterschiedlichen Verfahren bildet die Grünlingsherstellung mittels Matrizenpressen unter XHV-adäquater Atmosphäre. Hierzu wird eine entsprechende Arbeitsumgebung aufgebaut, die es ermöglichen soll alle einzelnen Teilschritte (Handhabung, Pressen, Sintern) ohne eine Kontamination des verwendeten Pulvers durch Sauerstoff durchführen zu können. Die gewonnenen Erkenntnisse beinhalten u. a. Wissen im Hinblick auf die Wechselwirkungen zwischen Sauerstoffgehalt, Partikeldeformation, Verbundbildung und Gefügeentwicklung und fließen schließlich in eine neuartige Verfahrenskombination ein. Bei dieser sollen mit desoxidiertem und vorkompaktiertem TiAl-Pulver unter XHV-adäquater Atmosphäre befüllte Kapseln in einem Warmmassivverfahren ohne einen zusätzlichen Sinterprozess umgeformt werden. Durch die hohe thermomechanische Beanspruchung in der Kapsel sollen Diffusionsprozesse und Verschweißungen vereinfacht werden und somit zu einem vollständigen Werkstoffverbund führen.