Titanium matrix composites have been extensively evaluated for their potential to replace conventional superalloys in high temperature structural applications, with significant weight-savings while maintaining comparable mechanical properties. The purpose of this investigation is the evaluation of a gamma titanium aluminide alloy with nominal composition Ti-46.5Al-4(Cr,Nb,Ta,B)at.% as a matrix material for use in intermediate temperature applications (400-800㩠in future aerospace transportation systems, as very light-weight structures are needed for cost and weight reduction goals. Mechanical characterization testing was performed over the potential usable temperature range (21-800㩮 Thermal expansion behavior was evaluated, as thermal mismatch of the constituents is an expected problem in composites employing this matrix material. Monotonic testing was conducted on rolled sheet material samples to obtain material properties. The alloy exhibited good strength and stiffness retention at elevated temperatures, as well as improved toughness. Monotonic testing was also conducted on specimens exposed to elevated temperatures to determine the degradation effects of high temperature exposure and oxidation. The exposure did not significantly degrade the alloy properties at elevated temperatures; however, room temperature ductility decreased. Analytical modeling using AGLPLY software was conducted to predict the residual stress state after composite consolidation as well as the potential mechanical behavior of [0]4 laminates with a 㭍ET matrix. Silicon carbide (Ultra-SCS) and alumina (Nextel 610) fibers were selected as potential reinforcing materials for the analysis. High residual stresses were predicted due to the thermal mismatch in the materials. Laminates with Nextel 610 fibers were found to offer the better potential for a composite in this comparison as they provide a better thermal match. Coupons of SCS-6/㭍ET were manufactured with different volume fractions (10% and 20%). Both manufacturing attempts resulted in transverse cracking in the matrix from the residual thermal stress.

Dissertation (Ph.D.)--Auburn University, 2005. / Abstract. Vita. Includes bibliographic references.

No description available.

Etwa 27000 Flugzeuge durchqueren täglich den Luftraum über Europa. Dieser weiter steigende Flugverkehr erfordert neue Richtlinien für die Luftfahrzeuge. Im Besonderen stehen CO2- und NOX-Emission, Kerosinverbrauch und Lärmbelastung unter Optimierungsbedarf. Diese Anforderungen wurden bis 2050 vom Advisory Council for Aerospace Research in Europe (kurz: ACARE) festgelegt und werden wissenschaftlich unterstützt [3, 4]. Um diese Ziele zu erreichen, gibt es verschiedene Forschungsprogramme, Clean Sky ist ein EU-Technologieprogramm davon. In diesem Projekt werden sechs Demonstrator-Programme entwickelt, von denen MTU Aero Engines eines gestaltet. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Weiterentwicklung des Getriebefan (Geared Turbofan-GTF) erreicht, bei dem Fan und Niederdruckturbine durch ein Getriebe voneinander entkoppelt sind. Durch die optimierte Drehzahl beider Komponenten (vergrößerter Fan - langsamer, Niederdruckturbine (LPT) - schneller) wird die Turbinenleistung gesteigert und gleichzeitig die Geräuschemission minimiert. Entwickelt wurde der GTF von Pratt & Whitney in Kooperation mit MTU Aero Engines. Herkömmliche Varianten sehen vor, dass die Niederdruckturbine u.a. den Fan antreibt und zwar nur so schnell, dass der äußere Radius des Fans die zulässige Geschwindigkeit nicht überschreitet. Die herkömmlich verwendeten Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine haben mit 8 g/cm3 eine zu hohe Dichte um einige Anforderungen im ACARE wirtschaftlich erfüllen zu können. Bereits 1967 hat die US Airforce das große Potential zur Gewichtsreduzierung durch Titanaluminid-Legierungen (TiAl-Legierungen) mit einer Dichte von rund 4 g/cm3 im Hochtemperaturbereich der Flugzeugtriebwerke erkannt. Zwischen 1980 und 1990 entwickelte das General Electric-Forschungscenter die gamma-TiAl-Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb, welche als erste kommerzielle Titanaluminidlegierung in der Niederdruckturbine von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurde. Eine weitere Legierung dieser Werkstoffgruppe kam erst ca. 15 Jahre später zum Einsatz, die TNM-Legierung. Wie man an diesem Beispiel sehen kann, dauert die Integration neuer Werkstoffe in der Luftfahrt aufgrund der notwendigen Vorversuche und Sicherheitsaspekte teilweise 20 Jahre. Seit September 2014 kommt im Triebwerk PW1100G GTF von Pratt & Whitney die geschmiedete Version der TNM-Legierung zum Einsatz. MTU Aero Engines AG München baut hierfür die Niederdruckturbine. Durch die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften der gamma-TiAl-Legierungen wie z.B. thermische Stabilität der Mikrostruktur, Resistenz gegen Titanfeuer und hohe spezifische Fes-tigkeit, konnten sich die Titanaluminide in Konkurrenz zu den Nickelbasislegierungen sehr gut platzieren. Deswegen werden die beiden gamma-TiAl-Legierungen (Ti-48Al-2Cr-2Nb, TNMTM) bereits in den letzten Stufen der Niederdruckturbine eingesetzt. Ein Nachteil der gamma-Titanaluminide ist die begrenzte Oxidationsbeständigkeit über 750 °C, wodurch das Einsatzfeld als Hochtemperaturwerkstoff stark begrenzt wird. Um das Anwen-dungspotential der gamma-Titanaluminide weiter zu steigern und auch bei Temperaturen über 750 °C einzusetzen, ist eine Steigerung der Oxidationsbeständigkeit notwendig. Die Oxidationsbeständigkeit kann durch das Aufbringen von Oxidationsschutzschichten wie z.B. Al2O3 erreicht werden. Welche neben der Korrosionsbeständigkeit auch die thermisch-mechanischen Anforderungen des Substrat-Schicht-Verbundes sicherstellen müssen. Zur Erhöhung der Temperaturbelastbarkeit von gamma-TiAl-Schaufeln können zur thermischen Isolation keramische Wärmedämmschichten (WDS) aufgebracht werden. Aufgrund der WDS können höhere Prozesstemperaturen realisiert und die Lebensdauer des Grundwerkstoffs verlängert werden. Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten und das Betriebsverhalten werden unter anderem durch eine gute Haftung auf dem Untergrund, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen thermisch stabilen Phasenaufbau bestimmt. Die Kombination aus Oxidationsschutz und Wärmedämmung wird bereits für Nickelbasislegierungen in der Brennkammer und Hochdruckturbine der Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Um gamma-Titanaluminide in weitere Stufen der Niederdruckturbine oder Hochdruckturbine einzubringen, müssen diese Temperaturen von mindestens 900 °C aushalten und erfordern ebenso Beschichtungen zum Oxidations- und Wärmeschutz. Diese Schutzschichten finden für gamma-Titanaluminide bisher jedoch noch keine Anwendung.

Al₃Ti, Al₅CuTi₂, and Al₆₆Mn₁₁Ti₂₃, intermetallic matrices reinforced with 30, 40, and 50 volume % TiB, have been produced by XD_™ processing and densified into bulk form by powder metallurgy techniques. The compressive flow behavior of the Al₃Ti and Al₅CuTi₂, composites have been evaluated at temperatures ranging from 1000°C to 1200°C and strain rates of 0.0001 and 0.001 sec⁻¹. The results have been analyzed by a correlation to the resulting microstructure, especially with regards to the intermetallic matrix composition, TiB₂ size, and interparticle spacing. The results of these analyses are applied to a constitutive equation based upon the flow stress equation. It has been shown that at in this temperature regime, all deformation occurs within the intermetallic matrix. This is substantiated by the lack of TiB₂-dependent behavior with variations in volume percentage of reinforcement. In all cases, the composites are readily deformed at relatively low loads. The average strain-rate sensitivity values were 0.349 for the Al₃Ti-based composites, and 0.247 for the Al₅CuTi₂, variants. The average activation energies were calculated to be 485 kJ/mol and 920 kJ/mol for the Al₃Ti-and Al₅CuTi₂-matrices, respectively. The structure constant was calculated based upon these values. The Zener-Hollomon parameter was used to plot the flow stress along lines of constant temperature and strain rate, and serves as one type of constitutive equation. In addition, the flow stress was evaluated as a function of the strain rate and temperature. These models were found to provide adequate correlation to the measured flow behavior. / Master of Science

Le système Ti-Al est prometteur pour la substitution aux superalliages base-Ni aéronautiques. Dans la gamme de compositions d’intérêt pour ces applications, la solidification de ces alliages débute par la phase ß (structure cubique centrée) suivie d’une transition péritectique ß + L → α (structure hexagonale). En fonction de la teneur en Al, les proportions des phases ß et α au cours de la solidification varient, et le procédé de coulée centrifuge pour fabriquer des aubes de turbine pour l’aéronautique introduit d’autres variations structurales. Le présent travail explore l’influence de la teneur en Al et de la centrifugation sur la solidification de ces alliages. Des expériences de refusion en creuset froid sous induction, de solidification dirigée en centrifugeuse de grand diamètre et de coulée centrifuge sont présentées et caractérisées. Des mécanismes potentiels pour les différences structurales observées sont proposés. Une fragmentation assistée par une teneur en Al plus élevée est observée dans les essais en creuset froid, et une réaction péritectique démarrant plus tôt est associée à une fragmentation plus efficace pour provoquer la transition colonnaire-équiaxe (TCE). Une compétition entre la convection et la sédimentation est observée lors des essais de solidification dirigée sous centrifugation, et la refusion des bras secondaires est responsable de la TCE. En coulée centrifuge, des structures hétérogènes en « ailes de mouette » à faibles teneurs en Al dépendent de la cinétique de refroidissement et de la convection. Un comportement différent sous les mêmes conditions est constaté à plus fortes teneurs en Al, transition qui semble coïncider avec le péritectique / The Ti-Al system is a promising substitute for Ni-based aeronautical superalloys. In the composition range of interest for these applications, the solidification of these alloys begins with a ß phase (body-centered cubic structure) followed by a peritectic transition ß + L → α (hexagonal close-packed structure). As a function of Al content, the proportions of ß and α phases over the course of solidification change, and the centrifuge casting process for aeronautical turbine blade fabrication introduces other structural variations. The present work explores the influence of Al content and centrifugation on the solidification process in these alloys. Remelting experiments in a cold-crucible induction furnace, directional solidification experiments in a large-diameter centrifuge and centrifuge casting experiments are presented and characterized. Potential mechanisms for the observed structural differences are proposed. Fragmentation assisted by a higher Al content is observed in cold crucible casting, and an early onset of the peritectic reaction is associated with fragmentation that more effectively provokes a columnar-to-equiaxed transition (CET). Competition between convection and sedimentation is observed in directional solidification under centrifugation, and secondary arm remelting is responsible for CET. In centrifuge casting, heterogeneous “seagull wing” structures for low Al contents depend on cooling rates and convection. A different behavior under the same conditions is noted for higher Al contents, and the transition seems to coincide with the peritectic

Etwa 27000 Flugzeuge durchqueren täglich den Luftraum über Europa. Dieser weiter steigende Flugverkehr erfordert neue Richtlinien für die Luftfahrzeuge. Im Besonderen stehen CO2- und NOX-Emission, Kerosinverbrauch und Lärmbelastung unter Optimierungsbedarf. Diese Anforderungen wurden bis 2050 vom Advisory Council for Aerospace Research in Europe (kurz: ACARE) festgelegt und werden wissenschaftlich unterstützt [3, 4]. Um diese Ziele zu erreichen, gibt es verschiedene Forschungsprogramme, Clean Sky ist ein EU-Technologieprogramm davon. In diesem Projekt werden sechs Demonstrator-Programme entwickelt, von denen MTU Aero Engines eines gestaltet. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Weiterentwicklung des Getriebefan (Geared Turbofan-GTF) erreicht, bei dem Fan und Niederdruckturbine durch ein Getriebe voneinander entkoppelt sind. Durch die optimierte Drehzahl beider Komponenten (vergrößerter Fan - langsamer, Niederdruckturbine (LPT) - schneller) wird die Turbinenleistung gesteigert und gleichzeitig die Geräuschemission minimiert. Entwickelt wurde der GTF von Pratt & Whitney in Kooperation mit MTU Aero Engines. Herkömmliche Varianten sehen vor, dass die Niederdruckturbine u.a. den Fan antreibt und zwar nur so schnell, dass der äußere Radius des Fans die zulässige Geschwindigkeit nicht überschreitet. Die herkömmlich verwendeten Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine haben mit 8 g/cm3 eine zu hohe Dichte um einige Anforderungen im ACARE wirtschaftlich erfüllen zu können. Bereits 1967 hat die US Airforce das große Potential zur Gewichtsreduzierung durch Titanaluminid-Legierungen (TiAl-Legierungen) mit einer Dichte von rund 4 g/cm3 im Hochtemperaturbereich der Flugzeugtriebwerke erkannt. Zwischen 1980 und 1990 entwickelte das General Electric-Forschungscenter die gamma-TiAl-Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb, welche als erste kommerzielle Titanaluminidlegierung in der Niederdruckturbine von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurde. Eine weitere Legierung dieser Werkstoffgruppe kam erst ca. 15 Jahre später zum Einsatz, die TNM-Legierung. Wie man an diesem Beispiel sehen kann, dauert die Integration neuer Werkstoffe in der Luftfahrt aufgrund der notwendigen Vorversuche und Sicherheitsaspekte teilweise 20 Jahre. Seit September 2014 kommt im Triebwerk PW1100G GTF von Pratt & Whitney die geschmiedete Version der TNM-Legierung zum Einsatz. MTU Aero Engines AG München baut hierfür die Niederdruckturbine. Durch die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften der gamma-TiAl-Legierungen wie z.B. thermische Stabilität der Mikrostruktur, Resistenz gegen Titanfeuer und hohe spezifische Fes-tigkeit, konnten sich die Titanaluminide in Konkurrenz zu den Nickelbasislegierungen sehr gut platzieren. Deswegen werden die beiden gamma-TiAl-Legierungen (Ti-48Al-2Cr-2Nb, TNMTM) bereits in den letzten Stufen der Niederdruckturbine eingesetzt. Ein Nachteil der gamma-Titanaluminide ist die begrenzte Oxidationsbeständigkeit über 750 °C, wodurch das Einsatzfeld als Hochtemperaturwerkstoff stark begrenzt wird. Um das Anwen-dungspotential der gamma-Titanaluminide weiter zu steigern und auch bei Temperaturen über 750 °C einzusetzen, ist eine Steigerung der Oxidationsbeständigkeit notwendig. Die Oxidationsbeständigkeit kann durch das Aufbringen von Oxidationsschutzschichten wie z.B. Al2O3 erreicht werden. Welche neben der Korrosionsbeständigkeit auch die thermisch-mechanischen Anforderungen des Substrat-Schicht-Verbundes sicherstellen müssen. Zur Erhöhung der Temperaturbelastbarkeit von gamma-TiAl-Schaufeln können zur thermischen Isolation keramische Wärmedämmschichten (WDS) aufgebracht werden. Aufgrund der WDS können höhere Prozesstemperaturen realisiert und die Lebensdauer des Grundwerkstoffs verlängert werden. Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten und das Betriebsverhalten werden unter anderem durch eine gute Haftung auf dem Untergrund, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen thermisch stabilen Phasenaufbau bestimmt. Die Kombination aus Oxidationsschutz und Wärmedämmung wird bereits für Nickelbasislegierungen in der Brennkammer und Hochdruckturbine der Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Um gamma-Titanaluminide in weitere Stufen der Niederdruckturbine oder Hochdruckturbine einzubringen, müssen diese Temperaturen von mindestens 900 °C aushalten und erfordern ebenso Beschichtungen zum Oxidations- und Wärmeschutz. Diese Schutzschichten finden für gamma-Titanaluminide bisher jedoch noch keine Anwendung.

This work deals with issues of preparation of intermetallics based on iron, nickel and titanium aluminides. It works with an idea of preparation of bulk material by reaction synthe-sis from kinetic spraying deposits by cold spray. Theoretical part is concerned with phases and compounds of these aluminides for structural applications, their characteristics and present fabrication. In experimental part there are studied microstructures created by annealing of deposits.

Additive manufacturing technologies, particularly electron beam powder bed fusion (PBF-EB/M), are becoming increasingly important for the processing of intermetallic titanium aluminides. This study presents the effects of hot isostatic pressing (HIP) and subsequent two-step heat treatments on the microstructure and mechanical properties of the TNM-B1 alloy (Ti–43.5Al–4Nb–1Mo–0.1B) fabricated via PBF-EB/M. Adequate solution heat treatment temperatures allow the adjustment of fully lamellar (FL) and nearly lamellar (NL-β) microstructures. The specimens are characterized by optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM), X-ray computed tomography (CT), X-ray diffraction (XRD), and electron backscatter diffraction (EBSD). The mechanical properties at ambient temperatures are evaluated via tensile testing and subsequent fractography. While lack-of-fusion defects are the main causes of failure in the as-built condition, the mechanical properties in the heat-treated conditions are predominantly controlled by the microstructure. The highest ultimate tensile strength is achieved after HIP due to the elimination of lack-of-fusion defects. The results reveal challenges originating from the PBF-EB/M process, for example, local variations in chemical composition due to aluminum evaporation, which in turn affect the microstructures after heat treatment. For designing suitable heat treatment strategies, particular attention should therefore be paid to the microstructural characteristics associated with additive manufacturing.

Electron beam powder bed fusion (PBF-EB/M) has been attracting great research interest as a promising technology for additive manufacturing of titanium aluminide alloys. However, challenges often arise from the process-induced evaporation of aluminum, which is linked to the PBF-EB/M process parameters. This study applies different volumetric energy densities during PBF-EB/M processing to deliberately adjust the aluminum contents in additively manufactured Ti–43.5Al–4Nb–1Mo–0.1B (TNM-B1) samples. The specimens are subsequently subjected to hot isostatic pressing (HIP) and a two-step heat treatment. The influence of process parameter variation and heat treatments on microstructure and defect distribution are investigated using optical and scanning electron microscopy, as well as X-ray computed tomography (CT). Depending on the aluminum content, shifts in the phase transition temperatures can be identified via differential scanning calorimetry (DSC). It is confirmed that the microstructure after heat treatment is strongly linked to the PBF-EB/M parameters and the associated aluminum evaporation. The feasibility of producing locally adapted microstructures within one component through process parameter variation and subsequent heat treatment can be demonstrated. Thus, fully lamellar and nearly lamellar microstructures in two adjacent component areas can be adjusted, respectively.