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Thermische Stabilität von Faser/Matrix-Grenzflächen in SiC - langfaserverstärkten Titanlegierungen
J. Hemptenmacher, A. Werner, P.W.M. Peters, H.J. Dudek
Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt, DLR
Institut für Werkstoff-Forschung, Köln-Porz
Einleitung
Die starke Reaktivität des Titans bei erhöhter Temperatur beschränkt den Langzeiteinsatz der zur
Zeit verfügbaren SiC / Ti - Verbundwerkstoffe auf Temperaturen unter 600 °C. Durch Legierungs-
variation und zusätzliche Maßnahmen für die Grenzflächenstabilsierung wird heute die Entwicklung
von Verbundwerkstoffen mit dem Ziel durchgeführt, die hochfesten und hochsteifen SiC / Ti -
Verbundwerkstoffe auch für Anwendungstemperaturen oberhalb 600 °C weiterzuentwickeln.
Die gegenwärtig höchste Einsatztemperatur für Titanlegierungen ohne eine Faserverstärkung kann
mit ca. 520 °C angegeben werden. Sie wird repräsentiert durch den Einsatz der kommerziellen
'Nahe @' - Legierung 'IMI 834' (IMI: Imperial Metal Industries, UK) in Verdichterscheiben von
Flugtriebwerken, wie z.B. dem "Rolls Royce' Großtriebwerk "Trend 800' [1]. Aktuelle Legierungs-
entwicklungen auf der Basis der Titanaluminide lassen höhere Einsatztemperaturen von über 600 °C
erwarten, wenn man die den intermetallischen Phasen arteigene, geringe Duktilität berücksichtigt.
Zu dieser Legierungsgruppe gehört die Ti-Legierung 'Super &@,' (0@, = Ti;Al), die auch bereits
kommerziell angeboten wird; Hersteller sind Timet (Titanium Metals Corporation of America,
USA) und RMI (Reactive Metals Incorporation, USA). Thermisch und mechanisch höher belastete
Turbinenbauteile müssen heute noch aus den fast doppelt so schweren Ni - Basislegierungen
hergestellt werden, die durch warmfeste Ti-Matrix / SiC-Faser - Verbundwerkstoffe teilweise ersetzt
werden könnten. Bei den im folgenden untersuchten SiC / Ti -Verbundwerkstoffen wurden die
beiden genannten warmfesten Ti-Legierungen als Metallmatrix verwendet.
Problemstellung und Ausgangsmaterial
Um die thermische Langzeitstabilität der Faserverbundwerkstoffe zu ermitteln, wurden in der vor-
liegenden Arbeit insgesamt drei verschiedene SiC - langfaserverstärkte Ti-Matrix - Verbund-
werkstoffe Glühungen bei 700 °C und 800 °C bis zu 3000 h in einem Vakuum-Ofen mit ca. 10* bar
ausgesetzt. Die Eigenschaften der Faser / Matrix - Grenzflächen wurden durch die Bestimmung der
Reaktionszonendicke, der verbliebenen Schutzschichtdicke und durch die Bestimmung der
mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche mit Hilfe von 'push out' und 'push back' Versuchen
in Abhängigkeit von der Glühdauer ermittelt.
Für die erste Werkstoffvariante wurde als Ti-Matrix die einleitend genannte warmfeste Ti-Legierung
'Super o,' gewählt, für zwei weitere Werkstoffvarianten jeweils die auch bereits genannte warmfeste
Ti-Legierung 'IMI 834'. Die Legierungszusammensetzungen nach Herstellerangaben sind in der
Tabelle angegeben. Die zweite Werkstoffvariante unterscheidet sich von einer dritten durch eine
zusätzliche äußere Schutzschicht auf den Fasern aus gradiertem Titanborid (gTiB). Als SiC - Faser
wurde für alle Verbundwerkstoffe die 140 um dicke SCS-6 Faser der Firma Textron (USA)
verwendet, die bereits mit einer äußeren ca. 3 um dicken Kohlenstoffschutzschicht geliefert wird;
das Zentrum dieser Fasern weist eine C-Seele auf.
