Optimierung der Kristallisations-Glühung für Cr2AlC MAX-Phasen und deren Performance als Oxidations-Schutzschicht auf TiAl 48-2-2 Substrat

Abstract

γ-TiAl-Legierungen ermöglichen, aufgrund ihrer geringen Dichte und ihrer hohen Festigkeit, eine signifikante Treibstoffeinsparung als Leichtbauwerkstoff in der Luftfahrt. Um ihrer begrenzten Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion entgegen zu wirken, ist der Einsatz von Oxidationsschutzschichten notwendig. Hierfür stehen MAX-Phasen, die mittels PVD Abscheidung einer amorphen Schicht und anschließender Wärmebehandlung hergestellt werden, im Fokus aktueller Untersuchungen. Dazu wurde auf der γ-TiAl-Legierung TiAl 48-2-2 eine Schicht aus Chrom, Aluminium und Kohlenstoff im Atomverhältnis 2:1:1, via Magnetronsputterns abgeschieden. Zudem wurden Al2O3 Referenzroben beschichtet und verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen und anschließend für 10 Stunden bei 850°C an Luft isotherm ausgelagert. Anschließend wurde die vielversprechendste Wärmebehandlung ausgewählt und für die beschichteten γ-TiAl-Legierung angewendet. Diese Proben wurden thermozyklisch bei 850°C ausgelagert und die Massenänderung über die Zeit dokumentiert. Eine Wärmebehandlung für 10 Stunden bei 700°C im Vakuum zeigte die Bildung der kristallinen Cr2AlC-MAX-Phase mit kompakter, kolumnarer Mikrostruktur. Nach isothermer Oxidation zeigte sich die Cr2AlC-Beschichtung weiterhin intakt und es konnte die Cr2AlC-MAX-Phase mittels XRD nachgewiesen werden, weshalb diese Parameterkombination für das weitere Verfahren ausgewählt wurde. Die Cr2AlC MAX Phase konnte auf der γ-TiAl-Legierung mit den zuvor beschriebenen Glühparametern etabliert werden. Nach 1000 Oxidationszyklen bei 850°C war die C2AlC-Beschichtung intakt, die Existenz der MAX-Phase konnte mittels XRD nicht nachgewiesen werden. Die Massenzunahme der Proben entspricht einem logarithmischen Oxidationsverhalten. Während der Oxidation kam es zur Diffusion von Aluminium aus der Schicht an die Oberfläche, was zur Umwandlung der MAX-Phase zu verschiedenen Chromcarbidphasen und zur Porenbildung führte