NiAl-Legierungen und deren Umwandlung in Martensit. von Simon Horn Technisches Berufskolleg Solingen

Transkript

1 NiAl-Legierungen und deren Umwandlung in Martensit von Simon Horn Technisches Berufskolleg Solingen

2 Gliederung Zielstellung / Problem Intermetallische Phase NiAl Vorgehensweise Durchführung Ergebnisse der Härtemessung Gefügebilder Heiztischversuch Zusammenfassung Fazit

3 Zielstellung / Problem NiAl-Legierung soll TiAl in Turbinenschaufeln ersetzen Problem: Kann die Phasenumwandlung (B2 zu Martensit) zur Härtesteigerung verwendet werden?

4 Intermetallische Phase Ni-Al NiAl ist eine Formgedächtnislegierung + Oxidationsbeständigkeit + Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen + günstiger als TiAl-Legierungen - geringe Verformbarkeit bei Raumtemperatur - geringe Festigkeit bei hohen Temperaturen Spannungsinduzierte Martensitbildung bei Belastung

5 Zustandsschaubild NiAl 3 mögliche Gefüge: β (NiAl)-Gebiet B2-Phase: Überstruktur martensitische Umwandlung (-200 C 900 C) reine B2-Phase (keine Umwandlung) B2-Phase mit Martensit (teilweise Umwandlung) reines Martensitgefüge (vollständige Umwandlung)

6 Proben Ni55Al45 einphasig B2-Phase Ni63Al37 zweiphasig Martensit & B2-Phase Heiztischprobe Ni63,5Al36,5 zweiphasig Martensit & B2-Phase Ni65Al35 einphasig Martensit Wärmebehandlung: 1300 C 7 Tage Argonstrom

7 Vorgehensweise Vorbereiten/Präparation der Proben Mikrohärtemessung (HV0,2 und HV0,5) in verschiedene Phasen Härte vergleichen Erzeugen von spannungsinduziertem Martensit Heiztischversuch Beobachten der Umwandlungsvorgänge

8 Probenvorbereitung: Durchführung Trennen der Probe (Bühler IsoMet 4000) Einbetten (Bakelit Schwarz) Präparation wie folgt: er Körnung SiC-Papier (wenig Druck) 3µm Mol-Tuch, 1µm Mol-Tuch, Finalpolitur (OPS) Mikrohärtemessung (MK2-Mikrohärtemessgerät)

9 Härte in HV 500 Ergebnisse der Härteprüfung HV0,2 Mittelwert: 346HV0,2 s = ± 5HV HV0,5 Mittelwert: 343HV0,5 s = ± 4HV Abdruck Nr. Ni55Al45 - einphasig - B2-Phase

10 Ni55Al45 einphasig - B2-Phase 500-fache Vergrößerung

11 Härte in HV 500 Ergebnisse der Härteprüfung HV0,2 Mittelwert: 374HV0,2 s = 25HV0,2 HV0,5 Mittelwert: 391HV0,5 250 s = 31HV0, Abdruck Nr. Ni65Al35 - einphasig - Martensit

12 Ni65Al35 einphasig Martensit 1000-fache Vergrößerung

13 Härte in HV 500 Ergebnisse der Härteprüfung HV0,2 Mittelwert: 344HV0,2 s = 6HV0,2 300 HV0,5 Mittelwert: 313HV0,5 250 s = 2HV0,5 200 Ni63,5Al36,5 - zweiphasig - Martensit

14 Ni63,5Al36,5 - zweiphasig 1000-fache Vergrößerung

15 Härte in HV 500 Ergebnisse der Härteprüfung HV0,2 Mittelwert: 322HV0,2 300 s = 21HV 250 HV0,5 Mittelwert: 340HV0,5 s = 6HV Abdruck Nr. Ni63,5Al36,5 - zweiphasig - B2-Phase

16 Ergebnisse der Härtemessung HV0,2 HV0, Gesamtvergleich Martensit B2-Phase einphasig einphasig zweiphasig zweiphasig

17 Fazit der Härtemessung Martensit nur geringfügig härter als B2-Phase Härte im Martensit (Ni65Al35) schwankt stark (Verfestigung an den Korngrenzen)

18 Gefügebilder der Härteabdrücke HV0,2 HV0,5 Ni65Al35 einphasig Martensit

19 Gefügebilder der Härteabdrücke HV0,2 HV0,5 Ni63,5Al36,5 zweiphasig B2-Phase

20 Gefügebilder der Härteabdrücke HV0,2 HV0,5 Ni63,5Al36,5 zweiphasig - Martensit

21 Gefügebilder der Härteabdrücke HV0,2 HV0,5 Ni55Al45 einphasig B2-Phase

22 Fazit zur Martensitumwandlung Bei allen Proben / allen Belastungen ist spannungsinduzierter Martensit entstanden. Menge an Martensit hängt ab von: Belastung (Je höher, desto mehr Martensit) Legierung (Je weniger Nickel, desto weniger Martensit)

23 Heiztischversuch Was ist das? Proben werden auf dem Heiztisch erhitzt Beobachten des Umwandlungsverhaltens Paralleles dokumentieren in bestimmten Abständen

24 Heiztischversuch Was ist das?

25 Formgedächtnislegierung martensitische Heiztischprobe Martensit wandelt in B2-Phase um Reliefbildung durch Schervorgänge durch die Reliefbildung erscheint das Gefüge martensitisch

26 Raumtemperatur

27 60 C Start

28 80 C

29 110 C

30 120 C

31 140 C

32 160 C

33 180 C

34 200 C

35 220 C

36 240 C

37 260 C - Ende

38 400 C - Ende

39 Ergebnisse Heiztischversuch Umwandlung zu B2-Phase startet: bei ca. 60 C an den Korngrenzen Umwandlung beendet: bei ca. 260 C

40 Zusammenfassung Spannungsinduzierte Martensitbildung auch schon bei einer Belastung < 200g Keine bzw. geringe Härteunterschiede zwischen B2-Phase und Martensit ( Umwandlung technisch nicht sinnvoll) Je höher die Belastung, desto mehr Martensit entsteht Je geringer der Ni-Anteil, desto weniger Martensit entsteht

41 Gesamtfazit NiAl für Turbinenschaufeln nicht geeignet, da man die Phasenumwandlung nicht nutzen kann, um die Härte zu erhöhen.

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!