Einfluss thermomechanischer Oberflächenbehandlungen zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften und Verschleißfestigkeit der bimodalen Mikrostruktur von Ti-6Al-4V
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss thermomechanischer Oberflächenbehandlungen auf die (α+ß) –Titanlegierung Ti-6Al-4V zur Verbesserung der mechanischen und tribologischen Eigenschaften bimodaler Mikrostrukturen. Titan und Titanlegierungen werden mittlerweile von einer Vielzahl an Unternehmen angeboten. Auch wenn für alle Werkstoffe entsprechende Herstellungsnormen existieren, so unterscheiden sich Gefüge und mechanische Eigenschaften zwischen verschiedenen Herstellern teils deutlich. Hierfür werden zunächst die mechanischen Eigenschaften und Mikrostrukturen unterschiedlicher Hersteller sowohl im Anlieferungszustand als auch nach der Wärmebehandlung zur Erzeugung einer ausgehärteten Duplexstruktur aufgezeigt und miteinander verglichen. Weiterhin wird untersucht, ob eine Verlängerung der Lösungsglühdauer und Temperatur des Abschreckmediums Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur der vorliegenden Geometrie des Materials haben. Da Titan und seine Legierungen einen nur als mäßig gut zu bezeichnenden Verschleißwiderstand aufweisen, insbesondere gegen Adhäsion und Abrasion, werden hierfür die durch unterschiedliche Temperaturen der Abschreckmedien erzeugten Mikrostrukturen und damit einhergehenden mechanischen Eigenschaften, auf ihr Verschleißverhalten untersucht und gegenübergestellt. Ziel ist es hierbei, ein besseres Verständnis für die bestimmenden Faktoren des Verschleißverhaltens bimodaler Mikrostrukturen der Ti-6Al-4V-Legierung zu erlangen und ggf. anwendungsbezogene Optimierungspotenziale aufzuzeigen. Zusätzlich wird als mögliches alternatives Verfahren zum Beschichten das Kugelstrahlen verwendet. Entgegen der kommerziell erwünschten Schwingfestigkeitsverbesserung wird weiterführend versucht, sowohl das Verfestigungsstrahlen zur Oberflächenhärtung, als auch in Kombination mit einer Wärmebehandlung, durch die dabei entstehende Kaltverfestigung und mikrostrukturelle Anpassung den Abrasiv- und Adhäsionswiderstand der Legierung zu verbessern.
The present work investigates the influence of thermomechanical surface treatments on the (α+ß) titanium alloy Ti-6Al-4V to improve the mechanical and tribological properties of bimodal microstructures. Titanium and titanium alloys are now offered by a wide range of companies. Even though manufacturing standards exist for all materials, the microstructure and mechanical properties differ significantly between different manufacturers. For this purpose, the mechanical properties and microstructures of different manufacturers, both as supplied and after heat treatment to produce a hardened duplex structure, are first shown and compared with one another. Furthermore, it is investigated whether an extension of the solution heat treatment time and the temperature of the quenching medium have an influence on the mechanical properties and microstructure of the existing geometry of the material. Since titanium and its alloys have a wear resistance that can only be described as moderately good, especially against adhesion and abrasion, the microstructures produced by different temperatures of the quenching media and the associated mechanical properties are investigated and compared in terms of their wear behavior. The objective here is to gain a better understanding of the determining factors of the wear behavior of bimodal microstructures of the Ti-6Al-4V alloy and, if necessary, to identify application-related optimization potential. In addition, shot peening is used as a possible alternative process for coating. Contrary to the commercially desired fatigue strength improvement, further attempts are made to improve the abrasive and adhesive resistance of the alloy by both shot peening for surface hardening and, in combination with heat treatment, by the resulting work hardening and microstructural adaptation.
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