Mikrostrukturentwicklung während des TLP-Lötprozesses in γ-TiAl-Legierungen : In situ Experimente mit hochenergetischer Röntgenbeugung

Die γ-TiAl-Legierungen zeichnen sich als hochtemperaturstabiles Leichtmetall aus und werden im Niederdruckbereich von Flugzeugturbinen als Schaufelmaterial verwendet. Um die Lebensdauer der aufwändig herzustellenden Schaufeln zu verlängern, wird das TLP-Löten (engl.: Transient Liquid Phase bonding) als Reparaturprozess für Risse in unkritischen Bereichen untersucht. Hierfür werden zwei verschiedene Lote miteinander verglichen (Ni- oder Fe-haltig). Die Mikrostrukturentwicklung während des TLP-Prozesses wird zeit- und ortsaufgelöst mit hochenergetischer Röntgenbeugung (HEXRD) in situ beobachtet. Diese zerstörungsfreien Messungen wurden an der vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht betriebenen „High Energy Materials Science“-Beamline an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III, DESY, Hamburg, Deutschland, durchgeführt. Mithilfe der Rietveld-Analyse können erstmals die verschiedenen Phasen und deren Anteile zeit- und ortsaufgelöst bestimmt werden. Neben den kristallinen Phasen wird außerdem erfolgreich der Anteil der Schmelze verfolgt. Des Weiteren kann die kontinuierliche Änderung der chemischen Zusammensetzung anhand des c/a-Verhältnisses der Gitterparameter oder des Volumens pro Atom beobachtet werden. Es ergibt sich ein einzigartiger Einblick in den TLP-Prozess, während eine komplexe Mikrostruktur entsteht. Bei dem TLP-Prozess mit dem Ni-haltigen Lot können von Anfang an neben der Schmelze Anteile der α- und der β-Phase festgestellt werden. Im weiteren Verlauf entstehen drei Zonen parallel zum Grundmaterial. Die unterschiedlichen Änderungen in den einzelnen Zonen sind nach einem Vergleich mit dem im Gleichgewicht befindlichen ternären Al-Ni-Ti-Phasendiagramm nachvollziehbar. Da eine ternäre τ3-Phase existiert, werden durch die sich ändernde chemische Zusammensetzung verschiedene Phasenfelder durchlaufen. Im Gegensatz dazu führt das Fe-haltige Lot lediglich zu einer Zone in der Mikrostruktur mit großen β-Körnern, was anhand des Phasendiagramms auch zu erwarten ist, da keine weitere ternäre Phase existiert. Anhand des komplexen Ni-haltigen Systems wird deutlich, dass die Auswertung der in situ HEXRD Daten zwar sehr aufwändig ist, dafür aber eine einzigartige Vielfalt an Informationen liefert, die notwendig ist, um solch komplexe Systeme zu verstehen. Nun ist es mit diesem Wissen möglich, passendere Lotlegierungen anhand bekannter Phasendiagramme zu wählen und den TLP-Lötprozess zu optimieren.

The γ-TiAl alloys are characterized as high-temperature stable light metals. As material, they are used for blades in the low-pressure area of aircraft turbines. In order to extend the operating time of the elaborately manufactured blades, Transient Liquid Phase bonding (TLP bonding) is being investigated to repair cracks in non-critical or not highly loaded areas. For this, two different brazing solders are compared with each other (containing Ni or Fe). During the TLP process, the development of the microstructure is observed in situ with high-energy X-ray diffraction (HEXRD). This non-destructive analysis was carried out at the “High Energy Materials Science” beamline operated by the Helmholtz-Zentrum Geesthacht at the synchrotron radiation facility PETRA III, DESY, Hamburg, Germany. The analysis of the data with Rietveld refinement leads to the determination of the various phases and their amounts time and space resolved for the first time. In addition to the crystalline phases, the amount of the melt is also successfully monitored. Furthermore, the continuous change in the chemical composition can be observed on the basis of the c/a ratio of the lattice parameters or the volume per atom. This results in a unique insight into the TLP process while a complex microstructure is formed. In the TLP process with the Ni-containing brazing solder, amounts of the α and β phases can be determined in the beginning in addition to the melt, already. Subsequently, three zones develop parallel to the basic material. After a comparison with the ternary Al-Ni-Ti phase diagram at equilibrium, the different changes in the individual zones can be understood. The changing chemical composition leads to different phase compositions, since a ternary τ3 phase exists. In contrast, the Fe-containing brazing solder leads to one zone in the microstructure with large β grains only, which is also expected with respect to the phase diagram, since there is no further ternary phase. It becomes apparent from the complex Ni-containing system that the evaluation of the in situ HEXRD data is very complex, but provides a unique variety of information. They are necessary to understand such complex systems. With this knowledge, it is possible to choose more suitable brazing solder alloys based on known phase diagrams and additionally to optimize the TLP brazing process.

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