Pilotanlage - Projektträger Jülich

Projektträger Jülich (PTJ)
Geschäftsbereich Neue Materialien und Chemische Technologien
Forschungszentrum Jülich GmbH
Im Auftrag des BMBF
Titan-Aluminid-Legierungen –
eine Werkstoffgruppe mit Zukunft

Herausgeber: Forschungszentrum Jülich GmbH
Projektträger Jülich (PTJ)
Geschäftsbereich Neue Materialien und Chemische Technologien
52425 Jülich; Tel.: (02461) 61-4840; Fax: (02461) 61-2398
E-mail: nmt@fz-juelich.de; Internet: http://www.fz-juelich.de/ptj
Autor/Redaktion: M. Dietrich
Projektträger Jülich (PTJ)
Geschäftsbereich Neue Materialien und Chemische Technologien
Forschungszentrum Jülich GmbH
Titelfoto: DaimlerChrysler AG
Druck: Grafische Betriebe, Forschungszentrum Jülich GmbH
ISBN 3-89336-318-1
Die Firmenbenennungen beziehen sich auf den Status bzw. die Bezeichnungen zum
damaligen Zeitpunkt.
Es ist zu verweisen auf die vom Projektträger PTJ Geschäftsbereich NMT herausgegebenen
Jahresberichte, in denen die einzelnen geförderten Projekte beschrieben werden.

Inhaltsverzeichnis
0. Vorwort (G. Sauthoff)
1. TiAl – ein neuer Strukturwerkstoff für hohe Temperaturen (M. Dietrich)
1.1. Förderzeitraum 1983 bis 1990/1992
Grundlagenprojekte Intermetallische Phasen
1.2. Förderzeitraum 1990 bis 1994/1996 (M. Dietrich)
1.2.1. Walzen zur TiAl-Blechherstellung (H. Clemens)
1.2.2. Feinguss für TiAl-Motorkomponenten (H. Baur)
1.2.3. Feinguss für TiAl-Flugturbinenschaufeln (F. Appel, M. Oehring)
1.2.4. Pulvermetallurgische Herstellung von TiAl-Bauteilen (M. Schütze, W. Smarsly)
1.3. Förderzeitraum 1995 bis 1999 (M. Dietrich)
1.3.1. Herstellung von TiAl-Legierungsmaterial (V. Güther)
1.3.2. Strangpressverfahren zur Herstellung von TiAl-Ventilen (H. Kestler, N. Eberhardt)
1.3.3. Permanentkokillenguss-Prozess für TiAl-Ventile (P. Busse)
1.3.4. Schmiedeverfahren für TiAl-Schaufeln (F. Appel, M. Oehring)
1.3.5. Gebaute TiAl-Flugturbinen-Hohlschaufel (R. Gerling)
1.3.6. Schweißen von Titanaluminiden (H. Cramer)
2. TiAl-Bauteile an der Schwelle zum Einsatz
2.1. Förderzeitraum 1999 bis 2002 (M. Dietrich)
2.1.1. Entwicklung von TiAl-Legierungen der 3. Generation (F. Appel, M. Oehring)
2.1.2. Beschichtungen für Titanaluminide (W.J. Quadakkers)
2.1.3. Bau einer TiAl-Pilotanlage zur Massenfertigung von TiAl-Motorventilen (P.Busse)
2.1.4. Umformtechnologien für hochfeste TiAl-Legierungen
der 3. Generation (F. Appel, M. Oehring)
3. Bewertungen des Einsatzes von TiAl-Bauteilen
3.1. Zulieferindustrie (Thyssen, TRW, Plansee, GfE)
3.2. Automobilindustrie (Audi, BMW, DaimlerChrysler, Ford, Opel)
3.3. Flugzeugindustrie (Rolls-Royce, MTU)
4. Fazit (M. Dietrich)
5. Nachwort
6. Autorenverzeichnis
Seite
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Vorwort
5
Die erste Ölkrise 1973/74 machte überaus deutlich die Notwendigkeit klar, mit der
verfügbaren Energie möglichst sparsam - d.h. mit möglichst hohem Wirkungsgrad -
umzugehen. Dies bedingt möglichst hohe Betriebstemperaturen in den
Energiewandlungsanlagen - beispielsweise Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen -, wobei
die möglichen Betriebstemperaturen durch die verfügbaren Werkstoffe begrenzt sind.
Seit Beginn des 20. Jahrhunderts ist bekannt, dass die Metalle, die seit Jahrtausenden als
metallische Werkstoffe benutzt werden, untereinander chemische Verbindungen bilden
können, die als intermetallische Verbindungen oder intermetallische Phasen bekannt sind und
die sich auf Grund ihrer starken Atombindung durch hohe Festigkeiten auch bei hohen
Temperaturen auszeichnen [1,2]. Damit bieten sich intermetallische Phasen als ausgesprochen
vielversprechende Kandidaten für auf höchste Einsatztemperaturen zielende neue
Werkstoffentwicklungen an. Entsprechende Entwicklungen werden mit besonderem
Nachdruck seit den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts insbesondere in den USA und
in Japan durchgeführt. Das zentrale Problem aller Entwicklungen ist die geringe
Verformbarkeit der intermetallischen Phasen bei niedrigen Temperaturen.
In Deutschland waren die intermetallischen Phasen bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts
Gegenstand intensiver Grundlagenforschung, wobei insbesondere Gustav Tammann (1861-
1938) in Göttingen zu nennen ist. Auf der Basis dieser Grundlagenforschung wurden zunächst
nur neue Funktionswerkstoffe beispielsweise mit besonderen magnetischen Eigenschaften
erfolgreich entwickelt. Das Interesse an Entwicklungen von intermetallischen
Strukturwerkstoffen für höchste Temperaturen entwickelte sich erst vergleichsweise spät. Zu
erwähnen ist hier ein erstes Projekt (1982-1986) des Max-Planck-Institutes für
Eisenforschung zur Erschließung der Möglichkeiten für die Entwicklung neuer
intermetallischer Hochtemperatur-Strukturwerkstoffe, wobei die Nickel- und Eisenaluminide
im Mittelpunkt standen und die Förderung noch im BMFT-Programm „Eisen- und
Stahlforschung und -technologie“ der damaligen sozial-liberalen Bundesregierung erfolgte
[3,4]. Von besonders hohem Interesse waren und sind die Titanaluminide, die sich durch ihre
geringe Dichte auszeichnen und sich daher für neuartige Leichtbauwerkstoffe anbieten mit
höheren Warmfestigkeiten als die der konventionellen Leichtmetalllegierungen. Ein erstes
Projekt zur Werkstoffentwicklung auf der Basis des intermetallischen Titanaluminids TiAl
wurde 1983-1985 im VAW-Forschungsinstitut von Prof. G. Ibe und Dr. J. Penkava
durchgeführt.
Neue verbesserte Möglichkeiten für die Entwicklungen neuartiger Hochtemperaturwerkstoffe
boten sich in dem für den Zeitraum 1985-1994 aufgelegten Materialforschungsprogramm
(Matfo) der folgenden Bundesregierung, in das auf Initiative des Direktors des Max-Planck-
Institutes für Eisenforschung Prof. H.-J. Engell Werkstoffe auf der Basis intermetallischer
Phasen als zu fördernde Werkstoffe aufgenommen wurden. Zur Initiierung der möglichen
Werkstoffentwicklungen auf der Basis der sich anbietenden intermetallischen Phasen wurde
durch Bündelung der verschiedenen Interessen 1986-1990 unter der Führung des Max-
Planck-Institutes für Eisenforschung mit verschiedenen Partnern ein breites
anwendungsorientiertes Grundlagenprojekt durchgeführt, dem ein aufwändiger intensiver
Klärungsprozess 1983-1985 voraus gegangen war. Dieses Grundlagenprojekt, in dem die
Titanaluminide unter Führung von Prof. R. Wagner/GKSS eine wesentliche Rolle spielten,
wurde begleitet von einem Technologie-Pilotprojekt der Metallgesellschaft zusammen mit
weiteren Partnern, das von Prof. P. Wincierz initiiert worden war und sich auf die
Herstellungsmöglichkeiten von TiAl-Bauteilen konzentrierte. Die Ergebnisse wurden auf

6
verschiedenen deutschen [5-7] und internationalen Symposien [8-11] vorgestellt und fanden
ein vielfältiges Interesse [12,13]. Aus diesen Projekten resultierten erfolgreiche Titan-
Aluminid-Werkstoffentwicklungen, die dann mit Förderung im Rahmen des anschließenden
Programms „Neue Materialien für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts - MaTech“
fortgeführt wurden [14] und Gegenstand der vorliegenden Monographie sind.
Diese anwendungsorientierten Entwicklungsanstrengungen wurden von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG) intensiv unterstützt durch zwei aufeinander folgende
Schwerpunktprogramme (SPP) zur Förderung entsprechender Grundlagenuntersuchungen.
Das erste DFG-SPP „Intermetallische Phasen als Basis für neue Strukturwerkstoffe“ (1985-
1990) auf Initiative von Prof. H.-J. Engell/Max-Planck-Institut für Eisenforschung zielte auf
grundlegende Untersuchungen verschiedener bisher zu wenig bekannter intermetallischer
Phasen, deren Potenzial noch unklar war, und schloss die Titanaluminide ein. Das zweite
DFG-SPP „Verformung und Bruch geordneter Mischkristalle“ (1992-1997) auf Initiative von
Prof. P. Neumann/Max-Planck-Institut für Eisenforschung und Prof. H. Mecking/TU
Hamburg-Harburg konzentrierte sich auf Untersuchungen der beiden Basis-Phasen der
angelaufenen Entwicklungen, nämlich des Nickelaluminids NiAl einerseits und des
Titanaluminids TiAl andererseits. Die Ergebnisse wurden jeweils in öffentlichen Symposien
vorgestellt [15,16].
Eine erste Gesamtdarstellung dieser breit gefächerten Aktivitäten im Bereich der
intermetallischen Phasen erfolgte 1988 in Bad Nauheim mit dem Symposium
„Intermetallische Phasen: Grundlagen - Einsatzmöglichkeiten - Herstellung“ der Deutschen
Gesellschaft für Materialkunde (DGM) [17]. Angesprochen wurden die Grundlagen,
Entwicklungen, Anwendungen und Perspektiven sowohl der Funktionswerkstoffe als auch der
Konstruktionswerkstoffe auf der Basis der intermetallischen Phasen. Für den andauernden
Informations- und Erfahrungsaustausch der Forscher, Entwickler und Anwender gründete die
DGM 1990 den Fachausschuss „Intermetallische Phasen“, der sich dann regelmäßig zu
jährlichen Sitzungen traf, um den jeweiligen Stand und die Perspektiven zu diskutieren.
Wiederholt standen die Titanaluminide im Mittelpunkt der Sitzungen, zu denen immer alle an
den Entwicklungen Interessierte eingeladen waren. Damit war neben den jährlichen
Hauptversammlungen der DGM ein Forum für die intermetallischen Phasen geschaffen
worden, das wesentlich zur Bündelung der verschiedenartigen Entwicklungsbemühungen
beitrug.
Rückblickend kann festgestellt werden, dass die in der vorliegenden Monographie
dargestellten äußerst erfolgreichen Werkstoffentwicklungen auf der Basis der
intermetallischen Titanaluminide ermöglicht wurde durch das überaus engagierte und
vertrauensvolle Zusammenwirken der Grundlagenforscher, Werkstoffentwickler und
Forschungsförderer in den beteiligten Institutionen. Dadurch gelang eine glückliche
Kombination von Fördermöglichkeiten seitens des BMFT/BMBF und der DFG, die zu
vergleichsweise schnellen Entwicklungsfortschritten mit vergleichsweise geringen Mitteln
führte. Damit ist in Deutschland ein Stand erreicht worden, der sich durchaus mit dem in den
USA oder Japan [18-21] vergleichen lässt, wo erheblich umfangreichere Programme mit sehr
viel höheren Mitteln zur Verfügung standen.
Zusammenfassend ist damit ein nachahmenswertes Beispiel für andere neue
Werkstoffentwicklungen und deren Förderung gegeben.
G. Sauthoff
Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Düsseldorf

Referenzen
7
1. G.Sauthoff, Intermetallics, 1. Aufl., Wiley-VCH, Weinheim (1995).
2. G.Sauthoff, Intermetallics, in: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,
Sixth Edition, 2001 Electronic Release, 6. Aufl., Wiley-VCH, Weinheim (2001)
3. H.J.Grabke, G.Sauthoff, I.Jung, J.Peters und M.Rudy, Prüfung von Eisen-Nickel-
Aluminium-Legierungen zur Anwendung bei hohen Temperaturen unter
Zeitstandbedingungen in Atmosphären mit niedrigem Sauerstoffpotential, in:
BMFT-Programm Eisen- und Stahlforschung und -technologie der Bundesregierung
- Statusbericht 1984, Hrsg. R.Neumann, E.Seitz und H.J.von den Driesch, KFA-
PLR, Jülich (1984) 651-658.
4. M.Rudy und G.Sauthoff, Creep Behaviour of the Ordered Intermetallic
(Fe,Ni)Al Phase, in: High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys, Hrsg.
C.C.Koch, C.T.Liu und N.S.Stoloff, MRS, Pittsburgh (1985) 327-333.
5. Symposium Materialforschung 1988 des Bundesministers für Forschung und
Technologie (BMFT), Hrsg. B.Vierkorn-Rudolph und D.Lillack, KFA-PLR, Jülich
(1988).
6. 2. Symposium Materialforschung 1991 des Bundesministers für Forschung und
Technologie (BMFT), Hrsg. B.Vierkorn-Rudolph, D.Lillack und H.-J.Clar, Verlag
TÜV Rheinland, Köln (1991).
7. Intermetallische Phasen als Strukturwerkstoffe für hohe Temperaturen (Beiträge
zu einem Seminar der Projektträgerschaft Material- und Rohstoffforschung
(PLR)), Hrsg. F.J.Bremer, Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich (1991).
8. G.Sauthoff, Mechanical Properties of Intermetallics at High Temperatures, in:
High-Temperature Aluminides and Intermetallics, Hrsg. S.H.Whang, C.T.Liu,
D.P.Pope und J.O.Stiegler, TMS, Warrendale (1990) 329-352.
9. G.Sauthoff, High Temperature Deformation and Creep Behaviour of BCC
Based Intermetallics, in: Proceedings of the International Symposium on
Intermetallic Compounds - Structure and Mechanical Properties - (JIMIS-6), Hrsg.
O.Izumi, The Japan Institute of Metals, Sendai (1991) 371-378.
10. G.Sauthoff, New Developments in Intermetallic Compounds in West Germany,
in: Frontiers of Materials Research/Electronic and Optical Materials (C-MRS
International '90, Beijing, Vol. 1), Hrsg. M.Kong und L.Huang, Elsevier Sci. Publ.,
Amsterdam (1991) 17-24.
11. G.Sauthoff, The High Temperature Deformation of Intermetallic Alloys, in:
Structural Intermetallics, Hrsg. R.Darolia, J.J.Lewandowski, C.T.Liu, P.L.Martin,
D.B.Miracle und M.V.Nathal, TMS, Warrendale (1993) 845-860.
12. Ordered Intermetallics - Physical Metallurgy and Mechanical Behaviour (Proc.
NATO Advanced Research Workshop 1991 at Kloster Irsee), Hrsg. C.T.Liu,
R.W.Cahn und G.Sauthoff, Kluwer Acad. Publ., Dordrecht (1992).
13. Gamma Titanium Aluminides: Processing, Properties, Physical Metallurgy
(International Workshop at Kloster Irsee), Hrsg. R.Wagner, F.Appel und
H.Mecking, 1994).
14. Symposium Materialforschung - Neue Werkstoffe des Bundesministeriums für
Forschung und Technologie (BMFT), Hrsg. U.Dahmen, I.Gilbert, D.Lillack und
S.Runte, KFA-PLR, Jülich (1994).
15. Intermetallische Phasen als Basis für neue Strukturwerkstoffe (Ergebnisse eines
Schwerpunktprogrammes 1985 - 1990), Hrsg. J.Tobolski, DFG, Bonn (1992).
16. P.Neumann und G.Sauthoff, Deformation and Fracture of Ordered Solid
Solutions - Preface, Intermetallics, 7 (1999) 233-235.

8
17. Proc. Symp. Intermetallische Phasen: Grundlagen - Einsatzmöglichkeiten -
Herstellung (Bad Nauheim 24.-25-11-1988), Hrsg. G.Sauthoff, P.Eßlinger,
H.Fischmeister, H.W.Grünling, H.Mecking, V.Schumacher, R.Wagner,
H.Warlimont, H.Wever und P.Wincierz, DGM, Oberursel (1988).
18. F.Appel und R.Wagner, Intermetallics: Titanium Aluminides, in: Encyclopedia of
Materials: Science and Technology, Hrsg. K.H.J.Buschow, R.W.Cahn,
M.C.Flemings, B.Ilschner, E.J.Kramer und S.Mahajan, Pergamon-Elsevier Science,
Amsterdam (2001)
19. Gamma Titanium Aluminides 1999, Hrsg. Y.-W.Kim, D.M.Dimiduk und
M.H.Loretto, TMS, Warrendale/PA (1999).
20. High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys IX, Hrsg. J.H.Schneibel,
K.J.Hemker, R.D.Noebe, S.Hanada und G.Sauthoff, MRS, Warrendale (2001).
21. Structural Intermetallics 2001 (Proc. ISSI-3), Hrsg. K.J.Hemker, D.M.Dimiduk,
H.Clemens, R.Darolia, H.Inui, J.M.Larsen, V.K.Sikka, M.Thomas und
J.D.Whittenberger, TMS, Warrendale (2001).

1. TiAl – ein neuer Strukturwerkstoff für hohe Temperaturen
1.1. Förderzeitraum 1983 bis 1990/1992:
Grundlagenprojekte Intermetallische Phasen
9
Bis Ende der 70iger Jahre war es weltweit undenkbar, aus den harten, spröden und unbearbeitbaren
intermetallischen Phasen, zu denen die Titanaluminide zählen, Bauteile herzustellen;
sie waren bis zu dem Zeitpunkt immer nur Gegenstand breiter Grundlagenforschung. Anfang
der 80iger Jahre wurde auf der Suche nach neuen Hochtemperaturwerkstoffen zuerst von
den USA das weltweite Interesse an den intermetallischen Phasen geweckt. Bezüglich ihrer
hohen Schmelztemperaturen, hohen Härten, niedrigen Dichten, sehr guten Korrosions- bzw.
Oxidationseigenschaften und der thermodynamischen Stabilität bei hohen Temperaturen sind
die intermetallischen Legierungen als Alternative zu den Nickel-Basis-Superlegierungen und
Keramiken anzusehen.
Das BMBF (früher BMFT: Bundesministerium für Forschung und Technologie) reagierte
frühzeitig auf diesen Entwicklungstrend und förderte schwerpunktmäßig innerhalb des Materialforschungsprogrammes
„Matfo“ von 1986 bis 1990 in einem breit angelegten Pilotprojekt
im Bereich der Grundlagenforschung die Untersuchungen der intermetallischen Phasen:
03M3002 - siehe Tabelle 1. Zu diesem frühen Zeitpunkt wurde bewusst die Industrie in die
Forschungsprojekte mit eingebunden und es haben sich noch während dieser Laufzeit zwei
neue Projekte, speziell zu den Titanaluminiden, herauskristallisiert, deren gezielte Förderung
als notwendig erachtet wurde (03M3019 und 3020 in Tabelle1).
An der Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass im Vorfeld dieser genannten Projekte
das Leichtmetall-Forschungsinstitut der VAW AG Bonn damals vom BMFT von 1983 bis
1985 in einem Einzelvorhaben zum Thema Titanaluminide gefördert worden ist. Es handelte
sich um einen ersten Versuch, pulvermetallurgisch durch Reaktions-Sintern unter Druck,
Homogenisieren und durch heißisostatisches Pressen Titanaluminide herstellen zu können.
Am Ende sollte ein einfaches Bauteil, die Vorform einer Turbinenschaufel, entstehen.
Tabelle 1: Grundlagenprojekte – Intermetallische Phasen
Förderkennzeichen
03ZG072A
(Förderanteil des
BMBF:
0.193 T €)
Projekte
Pulvermetallurgische Herstellung
und Untersuchung
von Hochtemperatur-
Leichtbauwerkstoffen auf
der Basis der intermetallischen
Verbindung TiAl
(Laufzeit:
01.01.1983 – 31.12.1985)
Projektleiter
(Federführer unterstrichen)
G. Ibe, Hydro Aluminium D. Bonn

03M3002
(Förderanteil des
BMBF:
5.578 T €)
03M3019
(Förderanteil des
BMBF:
1.099 T €)
03M3020
(Förderanteil des
BMBF:
0.796 T €)
10
Intermetallische Phasen
(Werkstoffe zwischen Metall
und Keramik – Untersuchungen
der Grundlagen
für die Entwicklung von
Strukturwerkstoffen für
hohe Beanspruchungen auf
der Basis intermetallischer
Phasen)
(Laufzeit:
01.03.1986 – 30.06.1990)
Herstellung und Erprobung
von Intermetallischen Phasen
für hochbeanspruchte
Triebwerkskomponenten
(Laufzeit:
01.04.1989 – 31.03.1992)
Entwicklung und Aufbau
einer Pilotverdüsungsanlage
mit plasmabeheizter Skull-
Melting-Technik zur Herstellung
von Pulvern aus
intermetallischen Titan-
Basis-Legierungen (Pulververdüsungsanlage
PIGA:
Plasma Melting Induction
Gas Atomization)
(Laufzeit:
01.05.1989 – 31.07.1991)
H.-J. Engell, G. Sauthoff, G. Frommeyer,
MPI Düsseldorf,
H. W. Grünling, L. Singheiser, ABB
Mannheim,
E. Arzt, MPI Stuttgart,
H. Finkler, Saarstahl Völklingen,
H. Meinhardt, H.C.Starck Laufenburg,
E. Lugscheider, RWTH Aachen,
R. Wagner, GKSS Geesthacht,
E. Schmid, Metallgesellschaft Frankfurt,
W. Smarsly, MTU München,
A. Rahmel, Dechema Frankfurt,
G. Ibe, Hydro Aluminium D. Bonn
W. Smarsly, MTU München
R. Wagner, GKSS Geesthacht
G. Frommeyer, MPI Düsseldorf
R. Wagner, GKSS Geesthacht
Im Förderzeitraum 1986 bis ca. 1990 sind mit Hilfe von schmelz- und pulvermetallurgischen
Herstellungsmethoden neben den Titanaluminiden eine Vielzahl Phasen, wie in Tabelle 2
dargestellt, erschmolzen, charakterisiert und entsprechende Basissysteme für weitere Werkstoffentwicklungen
festgelegt worden. Aus Tabelle 2 wird vor allem das Potenzial der Titanaluminide
für eine Entwicklung als Leichtbauwerkstoff aufgrund des Dichtevorteils deutlich.

Tabelle 2: Intermetallische Basissysteme
Phase Dichte
in g/cm 3
Schmelzpunkt max. Anwendungs-
in °C
temperatur in °C
TiAl 3,8 1480 950
NiAl 5,8 1638 1250
FeAl 5,6 1350 1050
MoSi2 6,3 2030 1600
TiSi2 4,1 1540 1100
Mg2Si 2,0 1085 450
11
Um in einer Zwischenbilanz einen wissenschaftlichen Austausch der bis dahin erreichten Ergebnisse
zu erzielen und damit eine zukünftige Konzeptfindung zu erleichtern, wurde am
30./31.10.1990 in Hagen vom damaligen Projektträger PLR ein Statusseminar „Intermetallische
Phasen“ durchgeführt, bei dem Werkstoffhersteller, Bauteilanwender und Forschungsinstitute
vertreten waren /1/. Speziell zu den intermetallischen Phasen auf der Basis von Titanaluminiden
wurde aus Sicht der Anwenderindustrie auf der Veranstaltung folgende Bilanz gezogen:
- TiAl-Werkstoffe sind bis zu dem Zeitpunkt nur im Labormaßstab hergestellt worden
(Erarbeitung einer Datenbasis physikalischer bzw. thermisch-mechanischer Eigenschaften
und grundlegender Erkenntnisse über den Zusammenhang von Herstellparametern,
Mikrostruktur und Eigenschaften). Es fehlten die für die geplante Anwendung
notwendigen Daten für eine begründete und abgesicherte Beurteilung der sogenannten
γ-TiAl-Legierungen.
- Bezüglich der Legierungsentwicklungen wurde deutlich, dass nur über die Einstellung
von mehrphasigen Legierungssystemen eine Eigenschaftsverbesserung (z.B. Kriecheigenschaften
und Raumtemperaturduktilität) erzielt werden konnte. Das günstigste
Verhältnis von Festigkeit und Duktilität zeigten zweiphasige γ-TiAl-Legierungen.
- Die Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen sowie die Prüfung der Verfahren zur
industriellen und wirtschaftlichen Anwendung waren die definierten Ziele für die
nächste Entwicklungsetappe.
Die Ergebnisse aus dem Matfo-Pilotprojekt sind umfassend einer großen Klientel auf dem 2.
Symposium Materialforschung vom 26. bis 29.8.1991 in Dresden vorgestellt worden /2/. Im
Anschluss an dieses Verbundvorhaben ist der Start für mehrere Entwicklungen, u.a. auch die
von Leichtbauwerkstoffen auf der Basis der leichten Phase TiAl, erfolgt. Da die Grundlagenuntersuchungen
zu dem Zeitpunkt so erfolgreich verliefen, sind Nachfolgeprojekte unter starker
Industriebeteiligung nebeneinander begonnen worden (TiAl-Projekte - beschrieben in
nachfolgenden Abschnitten). Über deren Ergebnisse wurde später auf dem Symposium Materialforschung
des BMBF 1994 in Würzburg /3/ ausführlich berichtet. Die auf beiden Symposien
für das BMBF gezogenen Bilanzen zum Stand der Entwicklungen der „Intermetallischen
Phasen“ fanden bei den Wissenschaftlern und Industrievertretern große Resonanz.
Veröffentlichungen:
/1/ Intermetallische Phasen als Strukturwerkstoff für hohe Temperaturen; Konferenzen des
Forschungszentrums Jülich, Band 6/1991,
/2/ 2. Symposium Materialforschung 1991 des BMFT, 26.-29. August 1991 in Dresden,
Herausgeber PLR, FZ Jülich,
/3/ Symposium Materialforschung – Neue Werkstoffe des BMFT, 02.-04. Nov. In Würzburg,
Herausgeber PLR, FZ Jülich, ISBN 3-88135-286-4.

12
1.2. Förderzeitraum 1990 bis 1994/1996
Ab 1990 begann eine zweite Förderphase auf dem gesamten Gebiet der intermetallischen
Phasen mit einem großen Entwicklungsschub insbesondere für die Titanaluminide. Im Mittelpunkt
des industriellen Interesses standen in Deutschland die sogenannten γ-TiAl-
Legierungen zur Herstellung von leichten, hochtemperaturbeständigen Blechen für die Luft-
und Raumfahrtindustrie und zur Herstellung von Motoren- und Turbinenkomponenten für
höhere Einsatztemperaturen.
In diesen Jahren wurden außerdem, neben den TiAl-Projekten, Fördervorhaben zu den anderen
in Tabelle 2 aufgeführten intermetallischen Basissystemen gestartet. Zur fachlichen Bewertung
der laufenden Projekte ist 1990 vom Projektträger PTJ-NMT (damals PLR) ein Expertenkreis
„Intermetallische Phasen“ benannt worden, der sich aus leitenden Vertretern
der Industrie, Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen zusammensetzte. Die Aufgabe
des Expertengremiums bestand darin, den fachlich und programmatisch erreichten Projektstatus
zu bewerten. Dabei lieferte der Expertenkreis wichtige Erkenntnisse, die bei der
weiteren Ausrichtung der Arbeiten in den einzelnen Projekten mit eingeflossen sind. Vor diesem
Hintergrund fand von 1990 bis 1997 einmal im Jahr eine erweiterte Projektsitzung „Intermetallische
Phasen“ mit Fortschrittsberichten zu den Einzelprojekten unter Teilnahme der
Experten statt. Diese Veranstaltung mit anschließender Tagung des Expertenkreises wurde
von den Herren Dr. Sauthoff (MPI Düsseldorf) und Prof. Wagner (früher Forschungszentrum
GKSS Geesthacht, heute im Vorstand des Forschungszentrums Jülich) organisiert und
geleitet.
Dem Expertenkreis „Intermetallische Phasen“ gehörten folgende Personen an:
- G. Matucha (Vorsitzender) Metallgesellschaft Frankfurt
- H. W. Grünling bis 1992 ABB Mannheim
- R. Bürgel (1992 – 1994), ab 1994 L. Singheiser ABB Heidelberg
- P. Esslinger, ab 1992 W. Smarsly MTU München
- H.-J. Engell, G. Sauthoff MPI Düsseldorf
- E. Tank Daimler Benz Stuttgart
- R. Wagner GKSS Geesthacht
- H. Fischmeister, ab 1992 E. Arzt MPI Stuttgart
Speziell zu den Titanaluminiden erfolgten in dem Förderzeitraum zu ausgewählten Einzelbauteilen
gezielte Legierungsentwicklungen. In Forschungsverbünden sind in Zusammenarbeit
mit der Industrie maßgeschneidert in Abhängigkeit von den Herstellungstechniken sogenannte
-TiAl-Legierungen entwickelt worden, die im Laufe der Jahre in Konkurrenz zu den bei General
Electric, Howmet, Pratt & Whitney u.a. Firmen in den USA, Europa und in Japan propagierten
TiAl-Legierungen traten.
Vom BMBF wurden die in den einzelnen Verbünden laufenden Arbeiten in diesem Förderzeitraum
mit insgesamt 5,3 Mio. € unterstützt. Wie aus der Tabelle 3 ersichtlich, handelte es
sich um Verbünde entlang der Wertschöpfungskette, d.h. es wurden Forschungsinstitute,
Werkstoff- und Bauteilhersteller bzw. –anwender in die Projekte eingebunden.

Tabelle 3: Förderzeitraum 1990 bis 1994/1996:
Herstellung von Einzelbauteilen aus Titanaluminiden
Förderkennzeichen
03M3029
(Förderanteil
des BMBF:
0.971 T €)
03M3032
(Förderanteil
des BMBF:
2.045 T €)
03M3030
(Förderanteil
des BMBF:
1.074 T €)
03M3053
(Förderanteil
des BMBF:
1.227 T €)
Projekte
Herstellung und Er
probung von Blechen
und Folien aus Titanaluminiden
(Laufzeit:
01.07.1990 –
30.06.1994)
Motorenteile aus
intermetallischer
Verbindung TiAl
(Laufzeit:
01.09.1990 –
31.12.1994)
TiAl-
Turbinenkomponenten
(Laufzeit:
01.07.1990 –
30.06.1994)
Entwicklung der pulvermetallurgischen
Herstellung von Bauteilen
auf Basis TiAl
und deren Erprobung
(Laufzeit:
01.01.1993 –
31.12.1996,
(Metallgesellschaft:
01.01.1993 –
30.09.1995)
13
Projektleiter
(Federführer unterstrichen)
H. Kühnle, MBB München
H. Clemens, Plansee Reutte
U. Herold-Schmidt, Dornier Friedrichshf.
S. Schwantes, D. Luftfahrt Friedrichshf.
M. Dahms, GKSS Geesthacht
C. Wurzwallner, Böhler Edelstahl
Kapfenberg
A. Bartels, H. Mecking, TU Hamburg-
Harburg
G. Frommeyer, MPI Düsseldorf
E. Tank, S. Hurta, Daimler-Benz Stuttgart
H.-P. Nicolai, TITAL Bestwig
H. Sibum, DTG Essen
R. Wagner, GKSS Geesthacht
W. Smarsly, MTU München
L. Singheiser, ABB Heidelberg
C. Wurzwallner, Böhler-Edelstahl
Kapfenberg
H.-P. Nicolai, TITAL Bestwig
(E. Schmid, Metallgesellschaft Frankfurt)
B. Friedrich, V. Güther, GfE Nürnberg
W. Smarsly, MTU München
M. Schütze, DECHEMA Frankfurt
H. Heegn, FIA Freiberg
siehe
Abschnitt
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.

14
Mit diesen geförderten Projekten (Tabelle 3) konnte gezeigt werden, dass der Feinguss als
Verfahren zur TiAl-Bauteilherstellung prinzipiell geeignet ist und Festigkeiten, Oxidations-
und Korrosionsbeständigkeit der entwickelten TiAl-Legierungen für Anwendungstemperaturen
bis 700°C ausreichend sind. Einzelne Bauteile, z.B. eine Flugturbinenschaufel, sind hergestellt
und getestet worden. Das Hauptproblem der Titanaluminide, geeignete Gefüge einzustellen,
die sowohl hinsichtlich Kriechfestigkeit als auch Duktilität den Nickelbasis-
Superlegierungen vergleichbar sind, konnte nicht bewältigt werden.
Die in dem Zeitraum gelaufenen Entwicklungsarbeiten am TiAl-Blechmaterial waren auf die
erfolgreiche Überwindung der prinzipiellen Hindernisse beim Umformen dieses neuen Werkstoffes
gerichtet.
In den folgenden Beiträgen sollen einerseits die schwierigen Anfänge der damaligen TiAl-
Bauteilentwicklungen deutlich werden, andererseits aber auch den erfolgreichen Start dieser
völlig neuen Werkstoffentwicklung in Deutschland aufzeigen.
1.2.1. Walzen zur TiAl-Blechherstellung
Autoren: H. Clemens, GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH; A. Bartels,
TU Hamburg Harburg
Die Partner des Verbundvorhabens waren:
- Messerschmitt-Bölkow-Blohm AG, München
- Dornier GmbH, Friedrichshafen
- Dornier Luftfahrt GmbH, Friedrichshafen
- Böhler-Edelstahl GmbH, Kapfenberg (Österreich)
- Metallwerke Plansee GmbH, Reutte (Österreich) und Lechbruck
- GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH
- TU Hamburg Harburg
1.2.1.1. Motivation und Zielsetzungen
Ziel war es zu zeigen, dass die Herstellung von Blechen und Folien aus -TiAl-
Basislegierungen im industriellen Maßstab möglich ist. Der Hintergrund dieses ehrgeizigen
Vorhabens war das sogenannte "Sänger-Projekt". Für diesen wie ein Flugzeug operierenden
Raumgleiter wurden TiAl-Bleche und Folien in bestimmten Abmessungen zum Bau von
Strukturteilen und thermischen Schutzschilden benötigt, die weltweit nicht erhältlich waren.
Des weiteren sollte der Walzprozess reproduzierbar sein und die Bleche bestimmte technologische
und mechanische Eigenschaften aufweisen, z.B. superplastisches Verhalten bei hohen
Temperaturen und eine plastische Mindestdehnung bei Raumtemperatur. Während der "Sänger"
überwiegend aus Kostengründen nicht realisiert wurde, war das "TiAl-Blechprojekt"
wissenschaftlich und technologisch äußerst erfolgreich und leitete für einige der industriellen
Projektpartner den Einstieg in neue Märkte ein.
1.2.1.2 Umsetzung und Ergebnisse
Vor Beginn des Förderprojektes hatte es in Deutschland keine Aktivitäten bezüglich der Herstellung
von TiAl-Blechen gegeben. Ebenso war die Herstellung eines geeigneten Vormaterials
für den Walzprozess ungelöst.

15
In den USA wurde in der Mitte der achtziger Jahre aus vergleichbaren Gründen (Stichwort:
"Orient Express") wie in Deutschland eine Studie zum Walzen von -TiAl-Basislegierungen
gestartet. In diesem amerikanischen Programm wurde das Umformen von -TiAl-
Basislegierungen durch Walzen zum größten Teil im Labormaßstab durchgeführt. Um die
notwendigen hohen Umformtemperaturen während des Walzprozesses aufrecht zu erhalten,
wurde in den USA eine Verbundkapseltechnik ("Pack Rolling") benutzt. Als Vormaterial
wurden gegossene bzw. gegossene und primärverformte TiAl-Legierungen verwendet. Die so
hergestellten Bleche hatten aber nur geringe Abmessungen und eigneten sich daher nicht für
eine systematische Untersuchung der Blechqualität oder gar zur Weiterverarbeitung zu testfähigen
Komponenten. Diese grundlegenden Arbeiten haben aber gezeigt, dass unter Einhaltung
von nahezu isothermen Walzverhältnissen und kleinen Walzgeschwindigkeiten die Herstellung
von TiAl-Blechen möglich ist.
Kobe Steel in Japan hat speziell für die Herstellung von Blechen und Folien aus -TiAl-
Basislegierungen ein Isothermwalzwerk gebaut, um unter Argon-Atmosphäre gegossene Platten
direkt und ungekapselt bei Temperaturen im Bereich von 1200°C mit extrem langsamen
Umformgeschwindigkeiten (10 -3 – 10 -1 s -1 ) auszuwalzen. Die maximale Blechbreite ist aber
auf 150 mm begrenzt.
Im Folgenden wird ein Teil der Ergebnisse beschrieben, die im Rahmen des geförderten Verbundprojektes
03M3029 – "Herstellung und Erprobung von Blechen und Folien aus Titan-
Aluminiden" – erzielt wurden, wobei der Schwerpunkt auf die Herstellung von Blechen aus
primärverformtem Gussmaterial im industriellen Maßstab gelegt wird. Als "Pilotlegierungen"
wurden Ti-48Al-2Cr und Ti-47Al-2Cr-0.2Si (Angaben in Atomprozent) verwendet. Cr wurde
wegen seiner duktilisierenden Wirkung zugesetzt. Bei höheren Temperaturen begünstigt Cr
die superplastischen Eigenschaften. Si soll die Gießbarkeit verbessern und positiven Einfluss
auf das Kriechverhalten haben. Im Rahmen des beschriebenen MatFo-Projektes konnte gezeigt
werden, dass durch Verwendung einer modifizierten Verbundkapseltechnik das Walzen
von TiAl-Blechen auf industriellen Warmwalzgerüsten möglich ist, wobei im Vergleich zu
Isothermwalzwerken mit relativ hohen Walzgeschwindigkeiten gearbeitet wird.
Vormaterialherstellung:
(Schmelzen und Primärumformung)
Das Erschmelzen im Lichtbogenofen und das Abgießen in einem Skull fand unter Vakuumbedingungen
statt. Die dafür verwendete Rotel (Rotating Electrode)-Anlage wurde von der
Firma Böhler Edelstahl (Kapfenberg, Österreich) für die oben angeführten TiAl-Legierungen
adaptiert. Während des Schmelzvorganges wurden der Schmelze kontinuierlich Proben zur
Analyse entnommen. Dadurch war eine äußerst genaue Einstellung der gewünschten Zusammensetzung
möglich. Ein Vorteil der schmelzmetallurgischen Herstellungsroute gegenüber
der pulvermetallurgischen Route war zu Beginn der neunziger Jahre der geringe Gehalt an
interstitiellen Verunreinigungen im Gussblock. Der maximale O-Gehalt lag bei ca. 700 ppm
und der N-Gehalt war kleiner als 300 ppm. Man muß an dieser Stelle aber anmerken, dass
sich im Laufe der Jahre die Qualität der TiAl-Pulver deutlich verbessert hat und damit eine
erfolgreiche Pulverroute zur TiAl-Blechherstellung entwickelt werden konnte. Hierzu hat
besonders die Einführung der PIGA-Technologie im GKSS Forschungszentrum beigetragen.
Die abgegossenen Ingots wogen bis zu 150 kg und der Durchmesser betrug ca. 190 mm. Das
Gussgefüge bestand überwiegend aus lamellaren (-TiAl + 2-Ti3Al)-Dendriten, deren Größe
bis zu einigen Millimetern betragen konnte. Wegen der peritektischen Erstarrung weist das

16
Gussgefüge chemische Inhomogenitäten im Sinne interdendritischer Mikroseigerungen auf.
Aus diesem Grund wurden die Gussblöcke vor der Primärumformung einer Homogenisierungsglühung
im -Gebiet ausgesetzt.
Die Primärverformung durch Schmieden hat den Zweck, das grobe Gussgefüge zu zerstören
und dadurch für den Walzprozess ein homogenes, feinkörniges Ausgangsgefüge herzustellen.
Zwar läßt sich auch unverformtes gegossenes Vormaterial walzen, nur weist das
Blech extreme Gefügeinhomogenitäten auf, welche zu einer signifikanten Verschlechterung
der mechanischen Eigenschaften führen. Das Schmieden auf industriellen Anlagen wurde bei
Böhler durchgeführt, während parallel dazu grundlegende Untersuchungen zum thermomechanischen
Processing vom Projektpartner TU Hamburg Harburg durchgeführt wurden.
Durch diese Untersuchungen konnten wichtige Aussagen zur Festlegung des Schmiedefensters
sowie zur Gefügeentwicklung gemacht werden.
Für die Primärverformung bei Böhler wurden die Ingots mechanisch getrennt und in geeigneten
Kapseln eingeschweißt. Die Verwendung einer Kapsel war notwendig, um während der
Umformung quasi-isotherme Bedingungen aufrecht zu erhalten und den Ingot vor Oxidation
zu schützen. Das Schmieden erfolgte im ()-Bereich des Phasendiagramms mit einer Umformgeschwindigkeit
von ca. 1 s -1 . Diese Umformgeschwindigkeit ist sehr hoch im Vergleich
zu den Umformgeschwindigkeiten, die bei isothermer Umformung verwendet werden. Sogenannte
"Pancakes" mit einem Durchmesser bis zu 570 mm wurden einstufig geschmiedet. Die
Umformgrade betrugen bis zu 85%.
Nach dem Schmieden lag in der Mitte des Pancakes ein globulares "Near Gamma"-Gefüge
vor. Die Größe der globularen Körner lag im Bereich von 10 – 15 µm. Da die Seigerungen im
Gussblock durch die oben angeführte Homogenisierungsglühung nicht vollständig ausgeglichen
wurden, konnten an manchen Stellen noch deutliche Gefügeinhomogenitäten nachgewiesen
werden, wie z.B. streifenförmig angeordnete -TiAl-Körner, die aus dem ursprünglichen
interdendritischen -TiAl entstehen.
In Bereichen des Pancakes, wo ungünstige Verformungsbedingungen vorlagen, waren sogar
Reste des ursprüglich lamellaren Gussgefüges wiederzufinden. Es hatte sich gezeigt, dass
diese Gefügeinhomogenitäten während des Walzprozesses nur teilweise beseitigt wurden und
sich dadurch negativ auf die mechanischen Eigenschaften der Bleche auswirkten. Durch einen
mehrstufigen Schmiedeprozess konnte Böhler zwar die Homogenität des Gefüges deutlich
verbessern, jedoch war der Aufwand wesentlich höher und resultierte in einer verringerten
Pancakegröße.
Walzen von TiAl-Blechen mittels Verbundkapseltechnik:
Walzversuche, die in den USA aber auch beim Projektpartner TUHH im Labormaßstab
durchgeführt wurden, hatten ergeben, dass für das Walzen von -TiAl-Basislegierungen die
folgenden Bedingungen notwendig sind:
- nahezu isotherme Verhältnisse bei hohen Walztemperaturen,
- die Walzgeschwindigkeit sowie die Stichabnahmen müssen so gewählt werden, dass
überkritische Umformgeschwindigkeiten vermieden werden, die als Folge durch Aufreißen
der Korngrenzen zur makroskopischen Risseinleitung führen,
- die Oxidation des Walzgutes muss verhindert werden.

17
Diese Bedingungen führen in der Praxis zu einem sehr engen Verformungsfenster, in dem das
Walzen von rissfreien Blechen möglich ist. Ein Verlassen dieses Verformungsfensters, etwa
durch zu hohe Umformgeschwindigkeiten oder durch zu niedrige Temperaturen aufgrund zu
großer Wärmeverluste, führt zu makroskopischer Rissbildung oder gar zum völligen Bruch
des Bleches. Um die oben angeführten Bedingungen in einem weiten Bereich zu erfüllen,
wurde im Rahmen des Förderprojektes eine Verbundkapsel entwickelt, die das Walzen unter
quasi-isothermen Verhältnissen im ( + )-Bereich erlaubt und gleichzeitig das Walzgut vor
Oxidation schützt. Mit diesem sogenannten "Pack Rolling"-Verfahren ist es im Jahre 1994
gelungen, rissfreie Bleche mit Abmessungen von 760 x 300 x 1.5 mm³ herzustellen.
Das Blechgefüge war sehr feinkörnig, und chemische Analysen haben belegt, dass es während
des Walzprozesses zu keiner Aufnahme von interstitiellen Verunreinigungen gekommen ist.
Obwohl die Zustellung der Kapseln per Hand erfolgte (schwer reproduzierbare Prozessführung)
und die Wärmeverluste ab Blechlängen im Bereich von ca. 700 mm sehr kritisch waren,
konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von Blechen aus -TiAl-Basislegierungen auf
industriellen Warmwalzgerüsten möglich ist.
Mit den oben genannten Blechabmessungen ist es im Rahmen des Verbundprojektes
03M3029 gelungen, die weltweit größten Bleche aus diesen schwer umformbaren Materialien
herzustellen. Abbildung 1 fasst die Fortschritte in der Blechherstellung im Förderzeitraum
zusammen.
Fläche (cm 2 x 1000)
4
3
2
1
0
Jan 92
Apr 92
Jul 92
Okt 92
Jan 93
Apr 93
Abb. 1: Fortschritte in der Blechherstellung im Förderzeitraum, dargestellt als
Zunahme an Blechgröße
Jul 93
Okt 93
Jan 94
Apr 94
Jul 94
Okt 94

18
Abb. 2: Von Dornier superplastisch umgeformte Ti-47Al-2Cr-0.2Si-Bleche
An den erhaltenen Blechen wurde ein umfangreiches Untersuchungs- und Charakterisierungsprogramm
durchgeführt. Röntgenographische Texturuntersuchungen haben ergeben,
dass nach dem Walzprozess im TiAl-Blech eine modifizierte Würfellage vorliegt, die für die
zum Teil erhebliche Anisotropie der mechanischen Eigenschaften verantwortlich ist. Neben
der Charakterisierung des walzharten Gefüges wurde ein umfangreiches Wärmebehandlungsprogramm
abgewickelt. Mit unterschiedlichen Wärmebehandlungen wurde versucht, das Gefüge
und damit die mechanischen Eigenschaften in einem weiten Rahmen zu variieren. Die
mechanischen Eigenschaften der Bleche aus Ti-48Al-2Cr und Ti-47Al-2Cr-0.2Si erfüllten
zwar die geforderten Minimaleigenschaften, aber es wurde bereits während der Projektlaufzeit
klar, dass auch für Blechwerkstoffe eine anwendungsorientierte Legierungsentwicklung erfolgen
muss. Der Einsatz von -TiAl-Basislegierungen bei hohen Temperaturen wird entscheidend
durch das Oxidationsverhalten und dessen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften
bestimmt. Entsprechende Untersuchungen haben gezeigt, dass die beiden Pilotlegierungen
nach einer Auslagerung an Luft bei Temperaturen > 700°C deutlich zur Versprödung bei
Raumtemperatur neigten. Auch aus diesem Grund war die Forderung nach einer speziellen
"TiAl-Blechlegierung" gerechtfertigt.
Superplastische Umformung:
Superplastische Umformung ist eine vielversprechende Methode, aus Blechmaterial kompliziert
geformte Strukturen herzustellen. Die feinkörnigen Ti-48Al-2Cr- und Ti-47Al-2Cr-
0.2Si-Bleche wurden im Zugversuch auf superplastisches Verhalten untersucht. Es stellte sich
heraus, dass die TiAl-Bleche ein ausgeprägtes superplastisches Verhalten zeigten, was durch
m-Werte im Bereich von 0.3 – 0.7 belegt wurde. So haben Zugversuche ergeben, die an Blechen
mit einer Korngröße von ca. 10 µm durchgeführt wurden, dass bereits bei Temperaturen
im Bereich von 950°C Dehnungen > 200% erreicht werden können. Dieser niedrige Temperaturbereich
ist von Interesse, da die maximale Betriebstemperatur von superplastischen Umformanlagen,
die z.B. auch für das Umformen von Blechen aus Ti-Legierungen verwendet
werden, auf ca. 1000°C begrenzt ist. Nachdem klar war, dass die im Verbundprojekt herge-

19
stellten Bleche wegen ihrer Feinkörnigkeit und der guten Gefügehomogenität superplastische
Eigenschaften besitzen, wurden superplastische Umformversuche auf Laboranlagen sowie
einer industriellen Anlage durchgeführt. Dass die Herstellung komplex geformter Teile möglich
war – auch dieses Ergebnis war 1994 eine Weltneuheit – zeigt Abbildung 2.
Im Rahmen des beschriebenen Verbundprojektes wurde auch die Eignung von Hochtemperaturlöten,
Elektronen- und Laserstrahlschweißen als Fügetechniken für Bleche aus -TiAl-
Basislegierungen untersucht. Obwohl diese Untersuchungen nur ein erstes Screening darstellten,
konnte festgestellt werden, dass alle oben angeführten Techniken für TiAl-Bleche geeignet
sind, wenn man den speziellen Eigenschaften dieser Werkstoffe Rechnung trägt (z.B.
niedrige Bruchzähigkeit, hohe spröd-duktil-Übergangstemperatur, etc.).
Reaktionspulvermetallurgie:
Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass im Rahmen des Verbundprojektes auch ein
zweiter Herstellungsweg für TiAl-Bleche und Folien geprüft wurde. Es handelte sich dabei
um ein Verfahren aus der Reaktionspulvermetallurgie. Bei diesem Verfahren ging man von
Elementarpulvern aus, die intensiv gemischt und danach unterhalb der Reaktionstemperatur
zu Blechen und Folien ausgewalzt wurden. Anschließend erfolgte die exotherme Reaktion zur
intermetallischen Phase unter Druck, um die Bildung von Kirkendall-Poren zu verhindern.
Die im Labormaßstab durchgeführten Versuche hatten gezeigt, dass es bei der Reaktion zu
Gefügeinhomogenitäten und Porenbildung kommt. Des weiteren kann während der Reaktionsphase
eine massive Sauerstoffzunahme auftreten, die sich negativ auf die mechanischen
Eigenschaften auswirkt. Obwohl es vielversprechende Ansätze gab, wie man diese Nachteile
prozesstechnisch in den Griff bekommen könnte, wurde diese Technologie nach Projektende
nicht mehr weiterverfolgt.
Nur durch eine überaus intensive und konstruktive Zusammenarbeit aller Partner konnte das
Verbundprojekt 03M3029 aus wissenschaftlicher und technologischer Sicht sehr erfolgreich
abgeschlossen werden. Nachstehend sind noch einmal alle Projektpartner, die beteiligten Personen
sowie deren Tätigkeiten aufgeführt:
Beteiligte Personen Tätigkeiten
Fr. Wurzwallner (Böhler Edelstahl)
Clemens, Schretter, Glatz (Plansee)
Kühnle, Winkler, Fr. Herold-Schmidt,
Schwantes (MBB, Dornier)
Bartels, Koeppe, Mecking (TU Hambug-Harburg)
Dahms (GKSS)
Guss, Primärverformung (Schmieden)
Blechherstellung, Gefügeoptimierung, Umformversuche,
mechanische Eigenschaften
Fügetechnik, superplastische Umformversuche, Oxidationsversuche,
mechanische Eigenschaften
Grundlegende Versuche zum thermomechanischen Processing,
Textur, Gefügeoptimierung, mechanische Eigenschaften
Reaktionspulvermetallurgie

1.2.1.3. Perspektiven
20
Es soll an dieser Stelle nur der Weg des industriellen Projektpartners Plansee ab 1994 betrachtet
werden. Die Plansee AG nahm mit der erarbeiteten Technologie und dem dabei entwickelten
Materialverständnis noch an weiteren vom BMBF geförderten Projekten teil (siehe 1.3.2.
und 1.3.5.). Mit der Einführung des "Advanced Sheet Rolling Process (ASRP)" im Jahre 1995
konnte die Herstellung von TiAl-Blechen und die Reproduzierbarkeit des Walzprozesses
deutlich verbessert werden. Blechgrößen mit Abmessungen bis zu 1800 x 500 x 1 mm³ können
heute hergestellt werden.
Auch auf dem Gebiet der Dünnblech- und Folientechnologie wurden deutliche Fortschritte
erzielt. Plansee konnte sich in den letzten Jahren mit TiAl-Halbzeugen - aber auch kompletten
Komponenten - erfolgreich im internationalen Markt etablieren und brachte sich in zahlreiche
nationalen und internationale Technologieprogramme ein.
Im Jahre 2000 wurde Plansee für die grundlegenden Arbeiten zur TiAl-Halbzeugherstellung
und Bauteilfertigung - gemeinsam mit Pratt & Whitney, dem NASA Glenn Research Center
und BFGoodrich - mit dem renommierten US - Technologiepreis, dem "R&D 100 Award",
ausgezeichnet.
1.2.1.4. Veröffentlichungen
Während der Laufzeit des Verbundprojektes 03M3029 wurde eine Vielzahl an Artikeln in
Fachzeitschriften und Tagungsbänden publiziert. Die folgende Auswahl beschreibt die Fortschritte
der Blechherstellung und fasst die wichtigsten Ergebnisse der Materialcharakterisierung
zusammen:
K.Wurzwallner, H.Clemens, P.Schretter, A.Bartels, and C.Koeppe, "Forming of -
TiAl Base Alloys", in: "High Temperature Ordered Intermetallic Alloys V", Vol. 288,
eds. I.Baker, R.Darolia, J.D.Whittenberger, and M.H.Yoo, MRS 288 (1993) pp. 867-
872.
H.Clemens, P.Schretter, K.Wurzwallner, A.Bartels, and C.Koeppe, "Forging and Rolling
of Ti48Al2Cr on Industrial Scale", "Structural Intermetallics", eds. R.Darolia,
J.J.Lewandowski, C.T.Liu, P.L.Martin, D.B.Miracle, and M.V.Nathal, The Minerals,
Metals & Materials Society, Warrendale/PA, USA (1993) pp. 205-214.
H.Clemens, I.Rumberg, P.Schretter, and S.Schwantes, "Characterization of Ti-48Al-
2Cr Sheet Material", Intermetallics 2 (1994) 179-184.
C.Koeppe, A.Bartels, H.Clemens, P.Schretter, and W.Glatz, "Optimizing the Properties
of TiAl Sheet Material for Application in Heat Protection Shields or Propulsion
Systems", Materials Science and Engineering A201 (1995) 182-193.
Eine Übersicht der Entwicklung nach 1994 gibt der folgende Artikel:
H.Clemens and H.Kestler, “Processing and Applications of Intermetallic -TiAl Based
Alloys”, Adv. Eng. Mater. 2 (2000) 551-570.

1.2.2. Feinguss für TiAl-Motorkomponenten
Autor: H. Baur, DaimlerChrysler AG, Forschung und Technologie, Ulm
Die Partner des Verbundvorhabens waren:
21
- Tital-Feinguss GmbH, Bestwig
- Deutsche Titan, Essen
- Max-Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf
- DaimlerBenz AG, Stuttgart
1.2.2.1. Motivation und Zielsetzungen
Die Konzeption moderner, umweltfreundlicher Antriebsaggregate in Kraftfahrzeugen erfordert
in zunehmenden Maße auch den Einsatz von möglichst leichten, hochtemperaturbeständigen
Werkstoffen. Insbesondere bis zu Temperaturen von 850°C weisen TiAl-Legierungen
ein hohes Anwendungspotenzial für oszillierende und rotierende Bauteile auf.
Die technische Bedeutung der intermetallischen Phasen -TiAl und 2-Ti3Al basiert auf den
mit Keramiken vergleichbaren Dichten und einer ausreichend guten Hochtemperaturbeständigkeit.
Neben den hohen spezifischen Festigkeiten und Elastizitätsmoduli ist die gute Oxidationsbeständigkeit
vorteilhaft. Intermetallische TiAl-Legierungen auf der Basis von -TiAl
weisen eine nachweisbare Duktilität von ca. 2% bei Raumtemperatur auf. Dieses Potenzial ist
in Verbindung mit dem Wunsch nach der Anwendbarkeit von Bearbeitungstechniken, wie
man sie von den Metallen her kennt, Ursache für zahlreiche Forschungsvorhaben, die Entwicklung
leistungsfähiger Hochtemperaturwerkstoffe für Verbrennungsmotoren zum Ziel
haben.
Aus der Literatur ist bekannt, dass durch Zulegieren dritter Elemente wie Cr, Nb, Si, Mn, V,
Mo, ... Gefüge eingestellt werden können, deren mechanische Eigenschaften im Vergleich zu
den binären TiAl-Basislegierungen deutlich verbessert sind. Darüber hinaus werden die mechanischen
Kenngrößen in hohem Maße von der Ausbildung der Mikrostruktur sowie der
Korngröße beeinflußt. Das jeweilige Gefüge kann durch geeignete Herstellungstechnik bzw.
entsprechende Wärmebehandlungen gezielt eingestellt werden.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Motorenteile aus intermetallischer Verbindung TiAl“
verfolgte die damalige Daimler-Benz Forschung die Zielsetzung, eine für die Anwendung in
Antriebsaggregaten geeignete Legierung zu untersuchen, sowie erste Bauteile aus einer Legierung
auf Basis TiAl/Ti3Al herzustellen. Als hochtemperaturbeanspruchte und bewegte Bauteile
waren Abgasturbolader sowie Motorenauslaßventile von besonderem Interesse. Außerdem
sollte in Analogie zu den Entwicklungen auf dem Gebiet der Siliziumnitridkeramiken das
Einsatzpotenzial von TiAl für Tassenstößel, Ventilfederteller, Rollenschlepphebel und Kolbenbolzen
untersucht werden.
Neben der Herstellung von Bauteilprototypen und der einhergehenden Werkstoffcharakterisierung
sollte die Entwicklung geeigneter Fertigungsverfahren mitgetragen werden. Außerdem
waren bei Bedarf und für den jeweiligen Anwendungsfall auf den Werkstoff zugeschnittene
Maßnahmen, beispielsweise zur Erhöhung des Verschleiß- und Oxidationswiderstandes,
zu ergreifen.

22
Der Schwerpunkt des Verbundprogrammes lag auf der Herstellung und Erprobung von Bauteilen
aus Feinguss. Die in den Abbildungen 3 und 4 dargestellten Bauteile wurden im Verlauf
des Projektes hergestellt und untersucht.
Abb. 3 und 4: TiAl-Feingussbauteile für Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern
1.2.2.2. Umsetzung und Ergebnisse
Im Verlaufe des Projektes wurden verschieden Legierungszusammensetzungen untersucht
und unter anderem folgende Legierungen werkstoffkundlich näher betrachtet:
- Ti-44,5Al-1,2Cr-0,19Si
- Ti-45Al-3Cr
- Ti-46Al-1,4Cr-0,8Nb-0,14Si
- Ti-46Al-1,2Cr
- Ti-46Al-1Cr-0,2Si
- Ti-47Al-1Cr-0,2Si
- Ti-47Al-1,7Mn
- Ti-48Al-2Cr
- Ti-48Al-2Cr-2Nb.
An den Legierungen sind eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt worden – beispielsweise
Gefügecharakterisierungen, Ermittlung der mechanischen Eigenschaften (Zug-,
Umlaufbiege-, Kerbschlagbiege-, Zeitstand-, Oxidations- und Thermoschockuntersuchungen),
sowie Fraktographie-Untersuchungen. Im Laufe des Projektes wurde die Notwendigkeit für
zusätzliche Schutzmaßnahmen gegenüber Verschleiß und Oxidation an kritischen Stellen der
Bauteile erkannt. In der Folge sind verschiedene Oberflächenbehandlungsverfahren verwendet
und bewertet worden: Glatt- und Festwalzen, Beschichtung mit Hartstoffloten, Aufschweißverfahren
(WIG-Umschmelzungen mit und ohne Hartstoffe), Laserlegieren und Nitrieren.
Für die Herstellung eines Bauteils aus dem Rohteil wurden entsprechende Verbindungstechniken
betrachtet: Reibschweißverbindungen, Löten, Schraubenverbindungen, WIG-
und EB-Schweißung. Verschiedene Bearbeitungstechniken – wie Drahterodieren, spanabhebende
Bearbeitung, Trennen, Schleifen und Polieren – sind für eine anschließende Bauteilherstellung
eingesetzt worden.

23
Die Bauteilherstellung erfolgte in Zusammenarbeit mit den Partnern. Bei Daimler-Benz wurden
die Bauteile endbearbeitet. Die Bauteilerprobung erfolgte schwerpunktmäßig mit den
TiAl-Auslassventilen. Dabei sind zu Beginn Ventile aus der Legierung Ti-48Al-2Cr in einem
fremdgesteuerten Zylinderkopf getestet worden. Da die Ventile am Schaftende nach einer
Laufzeit von 85 h Verschleißerscheinungen aufwiesen, wurden die oben genannten Oberflächenbehandlungen
für einen erhöhten Verschleißschutz an den Auslaß-Ventilen durchgeführt.
Die getesteten Ventile wurden teilweise repariert und zusammen mit neuen TiAl-Ventilen und
Feingussventiltellern in einen M104-Motor (6 Zylinder) eingebaut und in einem 10-Punkte-
Motortest erprobt. Bei dieser Lebensdauer-Erprobung sind während eines 30-minütigen Zyklus
jeweils die Drehzahl und Motorbelastung variiert worden, so dass alle möglichen Belastungsarten
vorkamen. Die Gesamtdauer des Versuches betrug 113 h. Die Ventile wurden nach
dem Versuch auf Verschleißerscheinungen hin untersucht. Dabei zeigte sich ein ausreichender
Verschleißschutz durch Verwendung von Hartstoffloten und WIG-Umschmelzschichten mit
Zusätzen am Schaftende und am Ventilsitz.
In einem zweiten Motorenversuch wurden weitere Ti-48Al-2Cr- Ventile mit Lotauflage bis zu
553 h erfolgreich getestet. Der dritte Prüfstandslauf ist an einem M111-Motor (4-Zylinder)
durchgeführt worden und zeigte eine Verschleiß- und Thermoschockproblematik der TiAl-
Ventile an (verwendete Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb). Die nicht beschädigten Ventile wurden
in einer Testpause verschleißschutzbeschichtet und wieder eingebaut. Danach traten keine
wesentliche Verschleißprobleme mehr auf.
Bild 5: TiAl-Auslassventile eines 6-Zylindermotors (M104) nach 553 h
im 10-Punkte-Dauerlaufprogramm
Neben Auslassventilen (Abbildung 5) wurden auch TiAl-Feingusspleuel erprobt. Dabei sind
Pleueldeckel für 808 h in einem 6 Zylindermotor (M104) getestet worden. Zusätzlich wurden
mit einer speziellen Prüfvorrichtung an einem Hydropulser die Originalpleuelgewinde aus der
Legierung Ti-46Al-1,5Cr-0,9Nb-0,1Si getestet, wobei nach 100 Mio. Lastwechseln mit einer
motorengleichen Beanspruchung keine Veränderungen am Bauteil festgestellt wurden. Somit
konnte gezeigt werden, dass eine Pleuelstange mit Direktverschraubung wie bei Stahl auch
bei Werkstoffen aus TiAl realisierbar ist.

24
Bei den Kolbenbolzen aus TiAl (Ti-45Al-3Cr) wurden zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften
die elastische Durchbiegung und Ovalisierung geprüft. Es zeigte sich, dass auch
TiAl-Kolbenbolzen, vergleichbar mit Stahlkolbenbolzen, eine Bohrung aufweisen müssen, da
sich eine zu hohe Steifigkeit negativ auf den Verschleiß am Kolben auswirkt.
Feingegossene Turboladerräder (Ti-48Al-2Cr) in ungeHIPtem Zustand mit 89 bzw. 90 mm
Durchmesser wurden anhand 4 durchgeführter Schleudertests geprüft. Zwei der gestesteten
TiAl-Räder sind an Schleuderzapfen angelötet und für die Tests entsprechend ausgewuchtet
worden. Alternativ wurden die anderen Räder an die Schleuderwellen reibverschweißt und für
die Tests vorbereitet. Die maximalen Bruchdrehzahlen im Schleudertest betrugen 121000
U/min bzw. 139000 U/min und erreichten somit Bruchspannungen von bis zu 355 MPa. Die
entsprechenden ATL-Räder aus Inconel713 erreichten im Einsatz maximal 100000 U/min, so
dass diese Versuche positiv bewertet werden konnten. Weitere Versuche wurden jedoch nicht
durchgeführt, so dass keine Ergebnisse von den reibgeschweißten Rädern ermittelt wurden.
Bewertung des Vorhabens:
Im Rahmen des Verbundvorhabens wurden verschiedene TiAl-Legierungszusammensetzungen
und Herstellungswege im Hinblick auf die Einsatzfähigkeit für diverse Motorenbauteile
wie Auslassventile, Abgasturboladerräder, Rollenschlepphebel, Tassenstößel und
Pleuel betrachtet.
Die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften zeigten, dass die jeweiligen Kennwerte
in hohem Maße vom Gefüge und der Mikrostruktur aber weniger durch die Legierungszusammensetzung
beeinflußt wurden. Ein ganz entscheidender Punkt war die Homogenität des
Materials, da sich stark variierende Korngrößen oder Lunker bzw. Einschlüsse negativ auf
die mechanischen Eigenschaften auswirkten. Im Hinblick auf die Zugfestigkeiten sowie die
Biegewechselfestigkeiten erwies sich ein feines Korn als vorteilhaft. Untersuchungen zum
Oxidationsverhalten zeigten, dass das Material problemlos bis zu Temperaturen von 800°C
einsetzbar war, für höhere Temperaturen konnten Hartstofflote als Oxidationsschutzschicht
eingesetzt werden.
Bei der Bauteilerprobung wurden schwerpunktmäßig Auslassventile, aber auch Ventilfederteller,
Pleueldeckel und Turboladerräder verwendet. In ersten Dauerlauferprobungen im Prüfstand
konnte gezeigt werden, dass Titanaluminide als Material für Auslassventile eingesetzt
werden können. Es zeigte sich jedoch, dass insbesondere am Schaftende der Ventile möglicherweise
auch im Bereich des Ventilsitzes das Aufbringen von Verschleißschutzschichten
erforderlich war. Hierfür konnten beispielsweise Lote verwendet werden. Alternativ konnte
eine ausreichende Aufhärtung des Materials durch einen Umschmelzprozess mit oder ohne
Zusatzwerkstoffe realisiert werden. Auch hier hatte sich das WIG-Verfahren bewährt, wohingegen
beispielsweise beim Umschmelzen mittels Laser die Gefahr einer Rissbildung infolge
thermischer Spannungen deutlich erhöht wurde.
Die Anwendbarkeit zweier Verfahren zur Verschleißschutzerhöhung durfte aber nicht darüber
hinwegtäuschen, dass in dieser Hinsicht, insbesondere hinsichtlich der Entwicklung kostengünstiger
Verschleißschutzschichten, noch erhebliche Optimierungsarbeit in den kommenden
Jahren zu leisten war.
Entsprechendes galt für die Thermorissanfälligkeit des Materials, die insbesondere bei einer
Präsenz von Gefügeinhomogenitäten deutlich erhöht war. Weiter gehende Untersuchungen

25
mussten in diesem Zusammenhang erfolgen, da gute Materialqualitäten, d.h. optimale Gefügestrukturen
nur unter Miteinbeziehung des Processing und entsprechender Wärmebehandlungen
realisiert werden konnten.
Die Ergebnisse machten deutlich, dass die Titanaluminide im Bereich der rotierenden und
oszillierenden Bauteile ein besonders hohes Potenzial für den Einsatz als Ventil aufweisen. Im
Vergleich zu den keramischen Werkstoffen war zwar die Entwicklung der TiAl-Ventile noch
nicht so weit fortgeschritten, doch zeigte das Material mit seiner vergleichbaren Dichte aufgrund
der Duktilität bei Anwendungstemperatur vielversprechende Ansätze für einen zukünftigen
Konstruktionswerkstoff eines Leichtbaumotors.
1.2.2.3. Perspektiven
Die TiAl-Werkstoffentwicklung auf dem Gebiet der Turboladerräder wurde im Anschluss
nicht weiterverfolgt, da bei der Daimler-Benz AG die Entwicklung von Abgasturboladern
eingestellt wurde. Die positiven Ergebnisse der TiAl-Ventilentwicklung führten zu weiteren
Aktivitäten, die sich aber hauptsächlich in Richtung höherfestem TiAl konzentrierten. Aufgrund
dieser Vorgabe wurde 1995 ein Verbundprojekt mit der Zielsetzung, TiAl-Ventile
durch einen thermomechanischen Umformprozess herzustellen, gestartet. Dabei sollte dieser
Herstellungsprozess möglichst identisch mit dem der heutigen Serienventilherstellung sein,
um Prozesskosten und Großserienfähigkeit optimieren zu können. Die Ergebnisse dieser Ti-
Al-Aktivitäten sind im Kapitel 1.3.2. des Förderzeitraums 1995 bis 1999 näher ausgeführt.
DaimlerChrysler beteiligte sich des weiteren an einem Verbundprojekt zur Entwicklung, Erprobung
und Herstellung einer gebauten TiAl-Hohlschaufel aus gewalzten Blechen. Dabei
übernahm DaimlerChrysler schwerpunktmäßig die Werkstoffcharakterisierung der gewalzten
TiAl-Bleche. Dieses Projekt wurde federführend von der Konzerntochter MTU München geleitet.
Der Ausbau einer einsatzrelevanten Werkstoffdatenbank war ein wesentlicher Bestandteil
für die Bewertung der Einsatzfähigkeit von TiAl in zukünftigen Triebwerken.
1.2.3.4. Veröffentlichungen
G. Frommeyer, E. Tank, M. Rommerskirchen, H. Sibum, H.-P. Nicolai: „Development
and State of the Art of Intermetallic TiAl/Ti3Al Alloys for Motor Components“,
Proc. Intern. Symp. on Automotive Technology and Automation (ISATA); Aachen
1993
E. Tank, W. Kleinekathöfer; “Hochbelastbare, beschichtete Bauteile aus einem Werkstoff
der aus der intermetallischen Phase Titan-Aluminid besteht”; German Patent No.
DE42 03 869 C2, 1994
H. Hurta, H. Clemens, G. Frommeyer, H.-P. Nicolai, H. Sibum: “Valves of Intermetallic
-TiAl-Based Alloys: Processing and Properties”; Proc. of 8 th World Conference on
Titanium, Birmingham, 1995.

1.2.3. Feinguss für TiAl-Flugturbinenschaufeln
Autoren: F. Appel, M. Oehring, GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Die Partner des Verbundvorhabens waren:
- ABB-Asea Brown Boveri, Corporate Research Center, Heidelberg
- Böhler-Edelstahl GmbH, Kapfenberg, Österreich
- GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht
- KFA Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich
- MTU-Motoren- und Turbinen-Union München GmbH, München
- TITAL-Feinguss GmbH, Bestwig.
1.2.3.1. Motivation und Zielsetzungen
26
Das Projekt wurde zu einem Zeitpunkt begonnen, als die Kenntnisse über die Herstellung und
die Eigenschaften von Titanaluminiden noch sehr lückenhaft waren. Das Projekt war deshalb
auf eine genaue Abschätzung des Entwicklungs- und Innovationspotenzials dieses neuen
Werkstoffs gerichtet. Hierzu mussten geeignete Herstellungsverfahren entwickelt und an vorhandenen
Industrieanlagen erprobt werden. Die endgültige Bewertung wurde an Laufschaufeln
für Flugzeugturbinen durchgeführt, bei denen der Werkstoff einer besonders kritischen
Prüfung ausgesetzt wurde. Dazu wurden die folgenden Zielstellungen vereinbart:
- Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für die Fertigung von Prüfkörpern und
Laufschaufeln für Flugzeugturbinen,
- Erprobung einer Schmiedetechnologie,
- Identifizierung von geeigneten Legierungszusammensetzungen,
- Mechanische Tests zur Charakterisierung der Festigkeitseigenschaften hinsichtlich
Fließspannung, Kriechen, Bruchzähigkeit und Ermüdung,
- Aufklärung von Versagensmechanismen,
- Charakterisierung des Oxidations- und Korrosionsverhaltens,
- Durchführung von ersten Bauteiltests.
Vorgehensweise:
Die Bearbeitung der Aufgabenstellungen erfolgte nach dem in Abbildung 6 dargestellten Organigramm.
Der Einfluss unterschiedlicher Legierungselemente wurde zunächst an einer großen
Zahl von im Labormaßstab geschmolzenen Legierungen untersucht, deren Gefüge und
Festigkeitseigenschaften charakterisiert wurden. Diese Arbeiten richteten sich insbesondere
auf die Einflüsse von Cr, Mn, Si, und B. Hierbei konnten umfangreiche empirische Erfahrungen
gewonnen werden, die für die weitere Legierungsentwicklung sehr wichtig waren.
Abbildung 7 demonstriert beispielsweise anhand einer Legierungsreihe auf der Basis Ti-48
Al-2 Cr (At.%) die durch Borzusätze an Gusslegierungen erreichbare Gefügefeinung. Wie
Abbildung 7 (b) zeigt, läßt sich ab Borgehalten von 0.2 At.% die Festigkeit der Legierungen
signifikant steigern, wobei die Gefügefeinung auch eine Erhöhung der Duktilität bewirkt. Die
durch das Legieren von Bor vorliegende Dispersion von Boriden bewirkt neben der Kornfeinung
in Gussgefügen auch eine Ausscheidungshärtung der Legierungen, die bis zu hohen
Temperaturen wirksam bleibt. Da zu hohe Volumenanteile an Boriden versprödend wirken,
muß der Borgehalt sorgfältig auf die weiteren Legierungselemente abgestimmt werden.

27
Durch diese Entwicklungsarbeiten konnte die Zusammensetzung (in At.%) der sogenannten
-TAB-Legierung: Ti-47Al-3,7 (Cr, Mn, Nb, Si)-0,5B, festgelegt werden, die als TiAl-
Legierung der 2. Generation eingeordnet werden kann. Aus der -TAB-Legierung wurden
Ingots von 160 kg Gewicht durch Vakuum-Lichtbogenschmelzen hergestellt. Aus diesen Ingots
wurden durch ein für konventionelle Titanlegierungen gebräuchliches Schleudergussverfahren
Prüfkörper und die bereits erwähnten Turbinenschaufeln gefertigt. Hierzu mussten bei
der Firma TITAL umfangreiche Entwicklungen für die Herstellung von geeigneten Keramik-
Formschalen durchgeführt werden.
Die Gussköper wurden dann meist heiß-isostatisch verdichtet, verschiedenen Wärmebehandlungen
unterzogen und hinsichtlich der Gefüge und der mechanischen Eigenschaften charakterisiert.
Die Werkstoffe wurden außerdem auf ihre Beständigkeit gegenüber Thermoschocks,
Oxidation und Korrosion untersucht.
Abb.
6: Arbeitsaufgaben und Kooperationen der Projektpartner

28
Parallel zu dieser Gusslegierungsentwicklung wurden orientierende Untersuchungen zur Um-
formung
durch gekapseltes Schmieden durchgeführt. Obwohl bei diesen Experimenten recht
hohe Umformgrade erreicht werden konnten, waren die damit eingestellten Gefüge doch sehr
inhomogen, was vermutlich eine Folge der in der verfügbaren Presse sehr schlecht definierten
Temperaturverhältnisse war.
Abb. 7: Untersuchungen zur Wirkung von Borzusätzen an Modell-Legierungen auf der
Basis Ti-48 Al- Cr (At.%):
(a) Lichtmikroskopische Aufnahmen der an Gussproben erreichten Gefügefeinung.
(b) in Kompression gemessene Fließspannung am Verformungsbeginn in Abhängigkeit
vom Borgehalt.
1.2.3.2.
Umsetzung und Ergebnisse
Bei
der Herstellung der Primärgussblöcke konnte die Sollzusammensetzung zufriedenstellend
eingehalten werden, allerdings ergaben sich verschiedentlich Probleme durch eine zu hohe
Sauerstoffkontamination.
Durch das Feingussverfahren konnten die teilweise sehr filigranen
Bauteilgeometrien gut abgebildet werden, wie dies aus Abbildung 8 ersichtlich ist.

29
TiAl-Legierungen weisen gegenüber konventionellen Titanlegierungen jedoch ein deutlich
schlechteres Formfüllungsvermögen auf, wodurch die Herstellung von größeren Gusstrauben
oder
langen und dünnen Bauteilen stark erschwert wird. Die Gussteile wiesen oftmals eine
erhebliche Porosität auf, die auch durch heiß-isostatisches Verdichten nicht geschlossen werden
konnte. Hierdurch war die Ausschussrate bei Feingussbauteilen relativ hoch; es muss allerdings
festgestellt werden, dass diese Probleme auch bei anderen Herstellern (z.B. in den
USA) auftraten und bis heute nicht zufriedenstellend gelöst worden sind.
Die bei konventionellen Titanwerkstoffen angewendeten Feingusstechnologien können daher
nicht direkt auf Titanaluminid-Werkstoffe übertragen werden, sondern es müssen vermutlich
neue
Verfahren entwickelt werden.
Abb.
8: Durch Schleuderguss hergestellte Laufschaufeln für ein Flugtriebwerk (a) und
eine stationäre Gasturbine (b)
Die -TAB-Legierung wurde neben anderen
Legierungsvarianten im Feingusszustand um-
fangreichen
mechanischen Tests unterzogen, die zusammenfassend in [1] dargestellt wurden.
An
gleicher Stelle ist auch das Oxidations- und Korrosionsverhalten beschrieben. Nach heiß-
isostatischem
Verdichten können an der -TAB-Legierung abhängig von der weiteren Wär-
mebehandlung Streckgrenzen von 450 - 600 MPa bei Raumtemperatur erreicht werden, wobei
die plastischen Zugdehnungen etwa 1 - 2% betragen.
In der -TAB-Legierung können auch im Feingusszustand relativ feine und gut konsolidierte
Gefüge eingestellt werden, was sich durch eine gute Reproduzierbarkeit der Festigkeitsdaten
manifestiert. Dies ist in Abbildung 9 durch eine Weibull-Darstellung
demonstriert, in der die
Versagenswahrscheinlichkeiten
verschiedener TiAl-Legierungen gegenübergestellt sind.
Zur Aufklärung dieser für die Anwendung von Gussbauteilen sehr wichtigen Unterschiede
wurden umfangreiche Grundlagenuntersuchungen [2, 3] durchgeführt. Danach neigen TiAl-
Legierungen zu Spaltbrüchen auf {111}-Ebenen. Da diese Ebenen gleichzeitig die Gleitebe
nen
und Zwillings-Habitusebenen sind, kann die Blockierung von Verformungsprozessen sehr
leicht zum Materialversagen führen.

30
Abb. 9: Weibull-Darstellung der Spannungsintensitätsfaktoren K1c verschiedener
TiAl-Legierungen, (1-F) Versagenswahrscheinlichkeit, T = 25 °C, Verformungs-
geschwindigkeit
vm = 0,01 mm/min:
- Ti-48Al-2Cr, nahezu lamellare Struktur mit Vorzugsorientierung der Lamellen,
Rissausbreitung parallel zu den Lamellengrenzflächen,
- Ti-48Al-2Cr, nahezu lamellare Struktur mit Vorzugsorientierung der Lamellen,
Rissausbreitung senkrecht zu den Lamellengrenzflächen,
- ● T-47Al-3,7(Cr, Nb, Mn, Si)-0,5B, -TAB, Duplex-Struktur, 20% -Körner,
- ■ T-47Al-3,7(Cr, Nb, Mn, Si)-0,5B, -TAB, Duplex-Struktur, 80% -Körner.
Abbildung 10 demonstriert die Rissausbreitung in der lamellaren
Struktur durch eine elektronenmikroskopische
Aufnahme. Der Riss hat sich innerhalb der Lamellen auf {111}-Ebenen
bewegt und wurde an den Lamellengrenzen entsprechen der Orientierungsänderung
dieser
Ebene n abgelenkt und schließlich an einer Grenzfläche immobilisiert. An der Riss-Spitze
wurde n Verformungszwillinge und Versetzungen emittiert. Durch diese Prozesse wird
insge-
samt
die Rissausbreitung quer zu den Lamellengrenzflächen stark behindert. Risse, die sich
parallel
zu den Grenzflächen ausbreiten, werden dagegen kaum behindert und können daher
sehr schnell eine kritische Größe erreichen.
Diese Beobachtungen erklären die starke Anisotropie der Bruchzähigkeit in lamellaren Gefügen
und weisen darauf hin, dass größere lamellare Kolonien mit zur Belastungsrichtung ungünstig
orientierten Lamellen sehr leicht zum Materialversagen führen können. Diese großen
Kolonien lassen sich insbesondere in größeren Gussbauteilen kaum vermeiden. Die daraus
resultierende Variation der Festigkeitswerte muss daher bei der Dimensionierung von Bauteilen
durch entsprechende Sicherheitsfaktoren
berücksichtigt werden.

31
Abb. 10: Rissausbreitung in lamellaren Titanaluminid-Legierungen:
Der Riss hat sich innerhalb der Lamellen
auf {111}- Ebenen ausgebreitet und wurde
an den Grenzflächen entsprechend der Orientierungsänderung dieser Ebenen abge
lenkt und schließlich an der Grenzfläche
1/2 immobilisiert. Die an der Riss-Spitze
auftretende Spannungskonzentration wird graduell durch die Emission von Verformungszwillingen
und Versetzungen (Stellen 2 und 3) abgeschirmt.
1.2.3.3. Perspektiven
Durch das Projekt wurde innerhalb einer sehr kurzen Zeit ein hoher Entwicklungsstand hin-
sichtlich
des Legierungsdesigns und der Technologie von Feingussverfahren erreicht. Dies
manifestiert
sich in dem ermittelten Satz an Gebrauchsdaten sowie insbesondere in einem
erfolgreich verlaufenen Schleudertest, der bei der MTU München an einer Feinguss-Schaufel
bei
700 °C und 16.000 U/min durchgeführt wurde [4].
Damit sind zum einen die Eignung der -Titanaluminid-Legierungen für einen Einsatz in
Flugtriebwerken
nachgewiesen und zum anderen eine Herstelltechnologie bis zum fertigen
Bauteil entwickelt worden.
Die Ergebnisse dieses breit angelegten Vorhabens wurden von den Projektpartnern für gezielte
Weiterentwicklungen genutzt. So ist die innerhalb des Projekts entwickelte -TAB-

32
Legierung aufgrund der gut aufeinander abgestimmten Al- und B-Gehalte auch sehr gut umformbar.
Diese Legierung wurde daher auch in dem in Abschnitt 1.3.4. beschriebenen BMBF-
Projekt
zur Herstellung von Kompressor-Laufschaufeln für Flugzeugturbinen eingesetzt.
1.2.3.4. Veröffentlichungen
1. R. Wagner, F. Appel, B. Dogan, P.J. Ennis, U. Lorenz, J. Müllauer, H.P. Nicolai, W.
Quadakkers, L. Singheiser, W. Smarsly, W. Vaidya, and K. Wurzwallner, in: Gamma
Titanium Aluminides, Eds. Y-W. Kim, R. Wagner M Yamaguchi (TMS, Warrendale
PA, 1995), p. 387.
2. F. Appel, P.A. Beaven and R. Wagner, Acta Metall. Mater. 41, 1721 (1993).
3. F. Appel, U. Christoph and R. Wagner, Phil. Mag. A 72, 341 (1995).
4. W. Smarsly and L. Singheiser, in: Materials for Advanced Power Engineering, Part II,
Eds. D. Coutsouradis et al. (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1994), p. 1731.
1 .2.4. Pulvermetallurgische Herstellung von TiAl-Bauteilen
Autoren: M. Schütze, DECHEMA Frankfurt, W. Smarsly, MTU Aero Engines GmbH
Die Partner des Verbundvorhabens waren:
- Metallgesellschaft AG, Frankfurt
- MTU-Motoren- und Turbinen-Union München GmbH, München
- GfE Gesellschaft für Elektrometallurgie mbH, Nürnberg
- DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., Frankfurt
- Wiss.-Technische Gesellschaft für Verfahrenstechnik Freiberg e.V. (FIA), Freiberg
1.2.4.1. Zielsetzungen
Mit dem Projekt „Entwicklung der pulvermetallurgischen
Herstellung von Bauteilen auf der
Bas is von TiAl und deren Erprobung“ wurde die pulvermetallurgische Herstellung
von Turbinenkomponenten
mit guten mechanischen Eigenschaften und geringer Oxidationsneigung
entwickelt. Als pulvermetallurgische Verfahren wurden das mechanische Legieren sowie kry-
ogene s Mahlen von legiertem Schmelzmaterial und die anschließende Verdichtung durch
Strangpressen
und heiss isostatisches Pressen untersucht.
Die hier betrachteten pulvermetallurgischen
Verfahren sollten seigerungsfreiere und feinkör-
nigere
Gefügestrukturen im Vergleich zu schmelzmetallurgischen Verfahren einstellen.
Die Gesellschaft für Verfahrenstechnik FIA e.V. in Freiberg konnte mechanisch legiertes und
sinteraktives TiAlCr-Pulver mit mittleren Korngrössen von < 200 µm durch Hochenergiemahlen
in kleintechnischem Maßstab mit reproduzierbarer Qualität produzieren.
Durch kryogenes Mahlen von rasch erstarrten TiAlCr- Schmelztröpfchen,
sogenannter Flakes,
stellte
die GfE Metalle und Materialien GmbH in Nürnberg sauerstoffarme, feinkörnige und

33
sinteraktive Pulver, Korngrössen < 45 µm, für die Weiterverarbeitung zu Probenmaterial und
Prototypen zur Verfügung. Der Sauerstoffgehalt dieses Pulvers konnte auf unter 1000 ppm
begrenzt
werden.
Die Metallgesellschaft AG Frankfurt und die MTU Motoren- und Turbinen-Union München
GmbH hatten die Aufgabe, die Pulver zu Probekörpern und Bauteilprototypen
zu kompaktie-
ren
und deren Eigenschaften zu charakterisieren. Das mechanisch legierte bzw. kryogemahlene
TiAlCr Pulvermaterial wurde mittels Heissstrangpressen zuvor kalt isostatisch vorverdichteter
Pulver oder direkt durch heiss isostatisches Pressen verdichtet. Die vollständige Kompaktierung
des Pulvermaterials erfolgte bei hohen Temperaturen in Stahl- oder Ti64-Kapseln.
1.2.4.2.
Ergebnisse
Die Gefüge des heiss isostatisch verdichteten Pulvermaterials zeigten eine inhomogene Verteilung
der Phasen und Korngrössen. Das stranggepresste Material war feinkörniger und homogener,
was in einer geringen Streuung der mechanischen Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit
und Duktilität, resultierte. Die Festigkeiten des pulvermetallurgisch hergestellten Materials
waren relativ hoch im Vergleich zu Feingussmaterial gleicher Zusammensetzung.
Die
Duktilität, insbesondere des Materials aus verdichteten mechanisch legierten Pulvern, war
allerdings aufgrund der hohen
Verunreinigungen mit Fe, Ni, C und O mit 1 % unter der Min-
destforderung
für die Anwendung in einer Fluggasturbine. Eine wirksame Reduktion dieser
Verunreinigungen erfordert höchstreine allerdings kostspielige Ausgangsmaterialien und Verarbeitungsprozesse.
Das Karl-Winnacker-Institut der DECHEMA e.V. in Frankfurt untersuchte die Oxidationsbeständigkeit
des kompaktierten Pulvermaterials im Temperaturbereich von 700 – 900 °C mit-
tels
isothermer und thermozyklischer Auslagerung in Luft und verbrennungsnahen Atmosphä-
ren. Dabei wurde die im Vergleich zu Gussmaterial erhebliche höhere Oxidationsbeständigkeit
des durch mechanisches Legieren hergestellten TiAlCr-Materials sogar bei einer Temperatur
von 900°C und mindestens bis zu 1200 Stunden Auslagerung entdeckt. Ursache hierfür
ist der sog. „Chloreffekt“, bei dem „homöopathische“ Mengen an Chlor (einige hundert ppm)
die Bildung einer dünnen
reinen Aluminiumoxidschicht mit hoher Oxidationsschutzwirkung
bewirken.
An Luft würde sich ohne diesen Effekt eine weniger schützende schnell wachsende Mischoxidschicht
aus TiO2/Al2O3 bilden. Anders als bei der Schmelzmetallurgie, Verdüsung von
Schmelzen und dem Feinguss bleibt Chlor, das herstellungsbedingt im Titan-Vormaterial enthalten
ist, in mechanisch legiertem TiAl-Material in Grössenordnungen erhalten, die eine entsprechende
Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit bewirken.
1.2.4.3. Perspektiven
Das mechanische Legieren und Kryomahlen zur Herstellung von TiAl-Halbzeugen und TiAl-
Bauteilen zeigte sich bezüglich der Herstellkosten für höchstreine Ausgangsstoffe und der
Verfahrensbedingungen bei sonst gleichen anwendungsrelevanten Werkstoffeigenschaften als
nicht wettbewerbsfähig im Vergleich mit schmelzmetallurgischen Verfahren. Als ganz wesentliches,
zunächst nicht geplantes Ergebnis kam es aber im Laufe des Projektes zur Entde-
ckung
des Chloreffekts für die untersuchten TiAl-Legierungen.

34
Die Entdeckung des „Chloreffekts“ auf die Oxidationsbeständigkeit von TiAl-Legierungen
hatte zur Folge, dass in weiteren
von der DFG, AiF und VW-Stiftung geförderten Projekten
der
DECHEMA und des Forschungszentrums Rossendorf das Plasma unterstützte Ionen-
implantieren von Chlor und anderen Halogenen in die Oberfläche von geschmiedeten oder
feingegossenen TiAl Bauteile entwickelt wurde und noch wird (Abbildung 11).
Die mittlerweile vorliegenden umfangreichen Ergebnisse zeigen, dass zumindest oxidationsseitig
über den Halogeneffekt (ähnliche Wirkung wie Chlor zeigen auch Fluor, Brom und Jod,
wie mittlerweile gemessen wurde) ein Einsatz der TiAl-Legierungen
z.B. als Turbinenschaufeln
bei Temperaturen bis 1000°C möglich erscheint.
Gleichzeitig konnten die dahinter stehenden Mechanismen aufgeklärt und thermodynamisch
begründet werden. Derzeit wird neben der Ionenimplantation auch an der Entwicklung eines
einfachen und preisgünstigen Tauchprozesses gearbeitet, der zu vergleichbaren Ergebnissen
führt.
-2 ]
m/A [mg cm
6
5
4
3
2
1
TiAl + 200 keV, 10 15 F
TiAl + 2.6 MeV, 10 16 I TiAl + 200 keV, 10 16 Cl
TiAl + 1.9 MeV, 2.5 * 10
0
0 20 40
16 Br
t [h]
Abb. 11: Effekt der Ionenimplantation von Halogenen auf die Oxidschichtbildung von
Ti-50Al bei 900 °C in Luft (Karl-Winnacker-Institut, DECHEMA e.V.).
1.2.4.2. Veröffentlichungen
TiAl
Al2O
mixed
Zum
Verbundprojekt „Pulvermetallurgische Herstellung von TiAl-Bauteilen“ erfolgten fol-
gende
Veröffentlichungen:
M. Hald
Oxidationsverhalten von pulvermetallurgisch hergestellten TiAl-Legierungen
Fortschritt-Berichte VDI
Reihe 5 Grund- und Werkstoffe Nr. 527
Ti

35
M. Schütze, M. Hald
Improvement of the oxidation resistance of TiAl alloys by using the chlorine effect
Materials Science and Engineering A 239-240 (1997) 847-858
Ein e Übersicht über die Entwicklung auf dem Gebiet des „Chlor- bzw. Halogeneffektes“
im Anschluß an das Verbundprojekt geben folgende Artikel:
G. Schumacher, F. Dettenwanger, M. Schütze, U. Hornauer, E. Richter, E. Wieser, W.
Müller
Microalloying
effects in the oxidation of TiAl materials
Intermetallics 7 (1999) 1113-1120
G. Schumacher, F. Dettenwanger, M. Schütze
Investigations of the microalloying effect of chlorine in the
oxidation of TiAl alloys
Materials at High Temperatures 17 (2000) 53-58
M. Schütze,
G. Schumacher, F. Dettenwanger, U. Hornauer, E. Richter, E. Wieser, W.
Möller
The halogen effect in the oxidation of intermetallic titanium aluminides
Corrosion
Science 44 (2002) 303-318

1.3. Förderzeitraum 1995 bis 1999
36
1994 war ein entscheidendes Jahr für die Fortführung der Entwicklung dieses hoffnungsvollen
Werkstoffes. In den 1994 ausgelaufenen -TiAl-Projekten sind Ziellegierungen und Einzelbauteile
(Ventile, Turbinenschaufeln) über die Feingussroute hergestellt worden. Die Machbarkeit
wurde bewiesen, aber die Ergebnisse aus den Forschungsprojekten zeigten, dass es bis
zu einem Serienbauteil noch ein langer Weg war. Vor allem erwies sich der vorerst hohe Preis
der TiAl-Bauteile bzw. das Nichtvorhandensein einer reproduzierbaren Bauteil-
Fertigungslinie als Nachteil und viele Firmen wollten sich nicht weiter an TiAl-
Förderprojekten beteiligen.
Zusätzlich zu dieser Situation führten firmenstrategische Veränderungen in Deutschland dazu,
dass einige Unternehmen auf ihre zertifizierten Werkstofflieferanten im Ausland (überwiegend
in den USA) zurückgriffen und an der Weiterführung der Projekte in Deutschland nicht
mehr interessiert waren.
Gerade zu diesem Zeitpunkt wurde das Programm „Materialforschung“ (Matfo) des BMBF
von der Firma A. D. Little evaluiert und als insgesamt sehr erfolgreich eingeschätzt. Gleichzeitig
wurde in einer Studie vorgeschlagen, die Materialforschung – wenn auch mit einem
anderen Ansatz – weiterzuführen, um die technologische Kompetenz in Deutschland auf diesem
Gebiet sicherzustellen. Ein wichtiger Schwerpunkt des ausgelaufenen Materialforschungsprogrammes
„Matfo“ und gleichzeitig beispielhaft genannte Werkstoffgruppe im neuen
Programm „MaTech“ (Neue Materialien für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts)
waren die Legierungen auf der Basis intermetallischer Phasen.
In dieser Situation drängte sich die Entscheidung auf, ob und wie eine Förderung der Titanaluminide
noch sinnvoll fortgesetzt werden sollte. Aus diesem Grund wurde 1994 vom Projektträger
PTJ-NMT zum weiteren Vorgehen auf dem Gebiet der Titanaluminide ein Workshop
initiiert. Auf dem TiAl-Workshop sind von den Projektbeteiligten der Stand der Arbeiten vorgestellt
und rege Diskussionen über die Weiterführung der bisherigen Entwicklungen geführt
worden. An dem Workshop nahmen auch bislang nicht involvierte Unternehmen teil, von
denen sich einige danach verstärkt, wie sich in den folgenden Jahren herausstellte, an der Umsetzung
der Forschungsergebnisse beteiligten.
Als Ergebnis des Workshops wurde die Notwendigkeit gesehen, die Forschungsarbeiten zu
den Titan-Aluminid-Legierungen fortzuführen. Vom damaligen erreichten Stand der Entwicklungen
ausgehend ist das Ziel vorgegeben worden, sie unter Bauteilaspekten weiter zu qualifizieren,
z.B. durch Optimierung der chemischen Zusammensetzung bzw. der von den Herstellparametern
abhängigen mechanischen Eigenschaften, durch Schadensanalysen nach Bauteiltests
und Lebensdauerberechnungen und nicht zuletzt durch den Einsatz möglicher wirtschaftlicher
neuer Herstell- bzw. Weiterverarbeitungsverfahren.
Nach bilateralen Diskussionsrunden und Beratungsgesprächen beim zuständigen Projektträger
im Nachgang zu dem Workshop war mit den neuen Förderprojekten von 1995 bis 1999, aufgelistet
in Tabelle 4, ein Durchbruch bei der technologischen Weiterentwicklung zur Herstellung
von TiAl-Bauteilen in Deutschland erzielt worden, wie in den nachfolgenden Abschnitten
beschrieben.

37
Tabelle 4: Förderzeitraum 1995 bis 1999:
Herstellverfahren für Ventile und Schaufeln
Förderkennzeichen
03N3043
(Förderaneil
des BMBF:
1.371 T €)
03N3016
(Förderateil
des BMBF:
3.063 T €)
03N3030
(Förderateil
des BMBF:
0.680 T €)
03N3034
(Förderateil
des BMBF:
1.474 T €)
Projekte
Umformtechnische
Halbzeug- sowie Fertigteilherstellung
und
Bauteilerprobung von
TiAl-Motorkomponenten
(Laufzeit:
01.07.1996 –
31.12.1999)
Permanentkokillenguss-Prozess
für
TiAl-Ventile
(Laufzeit:
01.06.1995 –
31.08.1999)
Entwicklung einer
Schmiedetechnologie
zur Herstellung von
Verdichter-Laufschaufeln
aus γ-TiAl
(Laufzeit:
01.10.1995 –
31.03.1999)
Auslegung, Bau und
Erprobung von TiAl-
Hohlschaufeln
(Laufzeit:
01.10.1095 –
28.02.1999)
Projektleiter
(Federführer unterstrichen)
P. Starker, H. Lohmann, EuroVal Bad
Homburg
S. Hurta, R. Joos, H. Baur, Daimler-
Benz Ulm
H. Clemens, Plansee Reutte
V. Güther, GfE Nürnberg
G. Frommeyer, MPI Düsseldorf
A. Choudhury, M. Blum, ALD Erlensee
H.-P. Nicolai, TITAL Bestwig
H.-J. Laudenberg, K. Segtrop, TRW
Barsinghausen
D. Lupton, W.C.Heraeus Hanau
K. Ruppert, BMW München
A. Mühlbauer, Uni Hannover
R. Guntlin, P. Busse, ACCESS Aachen
G. Frommeyer, MPI Düsseldorf
P. Janschek, L. Knippschild, Thyssen
Remscheid
T. Haubold, Rolls-Royce Oberursel
R Wagner, F. Appel, GKSS Geesthacht
W. Smarsly, MTU München
R. Gerling, GKSS Geesthacht
H. Baur, Daimler-Benz Ulm
H. Clemens, Plansee Reutte
H. Schleinzer, Dornier Friedrichshafen
A. Bartels, TU Hamburg Harburg
H. Cramer, SLV München
siehe
Abschnitt
1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
1.3.4.
1.3.5.
1.3.6.

38
Das BMBF hat sich der Verantwortung gestellt und mit insgesamt ca. 6,6 Mio. € die Forschungs-
und Entwicklungsarbeiten zu den Titanaluminiden in dieser so entscheidenden Entwicklungsetappe
von 1995 bis 1999 gefördert. Dabei betrug die Gesamtförderquote der einzelnen
in der Tabelle aufgelisteten Verbundvorhaben 50%, d.h. die Industrie hat sich, neben
ihrem erbrachten Eigenanteil, an den Aufwendungen der Forschungsinstitute zu 50% mit
beteiligt (dadurch Absenkung der Förderquote bei den einzelnen Firmen deutlich unter 50%).
Ab 1999 wurde auch der Expertenkreis „Intermetallische Phasen“ aufgelöst, da vor allem
die Projekte zu den Titanaluminiden weitestgehend von den Interessen der Industrie getragen
wurden und damit die Aufgaben dieses Beratergremiums erfüllt worden waren.
1.3.1. Herstellung von TiAl-Legierungsmaterial
Autor: V. Güther, GfE Metalle und Materialien GmbH, Nürnberg
Die Firma GfE war seit 1993 als TiAl-Werkstoffhersteller bzw. –lieferant an folgenden
BMBF-Verbundvorhaben beteiligt:
- Entwicklung der pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen auf der Basis
von TiAl und deren Erprobung,
- Entwicklung einer Umformtechnik für intermetallische -TiAl-Legierungen,
- Umformtechnische Halbzeug- sowie Fertigteilherstellung und Bauteilerprobung
von -TiAl-Ventilen.
1.3.1.1. Motivation und Zielsetzung
Der Werkstoff -TiAl wird in zwei grundlegend unterschiedlichen Modifikationen benötigt.
Im Falle der gießtechnischen Herstellung von Bauteilen genügt es, sogenannte „master heats“
in den Prozess zu geben. Als „master heat“ bezeichnet man ein vorlegiertes Material, das im
Weiterverarbeitungsprozess nochmals vollständig aufgeschmolzen und dann in entsprechende
Gießformen abgegossen wird. Demzufolge sind die Anforderungen an die Homogenität von
„master heats“ vergleichsweise gering.
Für den Fall einer weitergehenden Verarbeitung über Umformschritte werden dagegen sogenannte
Ingots benötigt, an deren chemische und strukturelle Homogenität extreme Anforderungen
gestellt sind.
Die Legierungsentwicklung hat zu der Erkenntnis geführt, dass die Qualität des Vormaterials
letztendlich ausschlaggebend für die Qualität der Bauteile ist. Das bedeutet aber auch, dass
sich Fehler im Ingot bis in das Bauteil fortpflanzen.
Der vorliegende Abschnitt bezieht sich auf die Herstellung dieser Ingots und zeigt, wie diese
hochkomplizierten Aufgaben gelöst werden konnten.

1.3.1.2. Umsetzung und Ergebnisse
Anforderungen an TiAl-Ingots:
39
Entscheidenden Einfluss auf die Gefüge besitzt die lokale Schwankung des
Aluminiumgehaltes, der die lokale Lage der sogenannten α-Transus-Temperatur definiert. Je
nach der Höhe der Prozesstemperaturen während der Massivumformung und dem
Aluminiumgehalt unterschreiten oder überschreiten lokale Bereiche des Ingots diese Linie mit
dem Resultat völlig unterschiedlicher Mikrogefüge mit unterschiedlichen Eigenschaften
(siehe Abbildung 12). Demzufolge darf die Schwankung des Al-Gehaltes in einem Ingot
lediglich ca. +/- 0,5 at.-% betragen.
Variation of the microstructure by hot working / thermal treatments
T (°C)
1500
1400
1300
1200
1100
fully lamellar
near lamellar
duplex
near-
36 40 44 48 52
Aluminium concentration (at.-%)
Abb. 12: Ausschnitt aus dem Phasendiagramm TiAl und Einfluss verschiedener
Prozesstemperaturen auf die entstehenden Gefüge
Insbesondere Sauerstoff und Stickstoff lagern sich auf Zwischengitterplätzen in das Gefüge
ein und führen zu einer vollständigen Versprödung des ohnehin bei Raumtemperatur recht
spröden Werkstoffes. Folgende Gehalte bilden praktisch die oberen hinnehmbaren Grenzen:
Sauerstoff < 800 ppm
Stickstoff < 200 ppm
Kohlenstoff < 200 ppm.
Je nach Legierungszusammensetzung können weitere Elemente kritische Verunreinigungen
bilden oder auch zur Einstellung gewünschter Eigenschaften beitragen.

40
Durch Legierungsbildung lassen sich Eigenschaften gezielt verändern. Abbildung 13 gibt eine
allgemeine Summenformel für TiAl-Legierungen an, ohne dass damit ein Anspruch auf Vollständigkeit
erhoben wird.
In der Praxis evaluierte Legierungen bestehen in der Regel neben Titan und Aluminium aus 2
bis 6 weiteren Einzelkomponenten. Wie aus Abbildung 13 hervorgeht, besitzen diese
Einzelkomponenten höchst unterschiedliche Dichten und Schmelzpunkte. Es ist deshalb ein
wichtiges Ziel der Schmelztechnologie, dafür zu sorgen, dass alle Legierungselemente trotz
unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften und spezifischer Gewichte vollständig
homogen im Ingot verteilt vorliegen.
Ti 42-52 Al 44-48 (Cr, Mn, V) 0-4 (Nb,Ta,Mo,W,Zr,Hf,Co,Cu) 0-10 (Si, B, C,Y) 0-2
2 / Duktilität Festigkeit Gefügefeinung
Mikrostruktur Umformbarkeit
Kriechbeständigkeit
Abb. 13: Einfluss von Legierungselementen auf Eigenschaften
Überblick über die Herstellungsprozesse für -TiAl-Ingots:
Aufgrund der hohen Reaktivität von Titan und der großen Anforderungen an die Verunreinigungsgehalte
kommen als Herstellungsprozesse ausschließlich vakuum-schmelzmetallurgische
Verfahren mit kalten Tiegeln in Betracht. Auch die Herstellung von TiAl-Legierungspulvern
muss durch die Verdüsung von schmelzmetallurgisch dargestelltem Material erfolgen.
Die nachfolgende Abbildung 14 zeigt die möglichen Prozessrouten zur Ingotherstellung
auf.

PACHM
Plasma Arc Cold
Hearth Melting
2
3
1
41
VAR
Vacuum Arc
Remelting
Abb. 14: Mögliche Prozessrouten zur TiAl-Ingot-Herstellung
1: Vormaterial
2: Plasmabrenner
3: Ingot
1
3
PASM
Plasma Arc
Skull Melting
Durch Abguss von Legierung aus dem Plasma-Skull in Kokillen hergestellte Ingots weisen
eine zu große Porosität auf, während die in der Titan-Industrie weitverbreitete Technologie
des Hochvakuum-Elektronenstrahl-Schmelzens für -TiAl aufgrund des starken Abdampfens
speziell von Aluminium nicht einsetzbar ist. Deshalb haben sich in der Praxis zwei Technologien
durchgesetzt, nämlich das Vakuum-Lichtbogen-Schmelzen (Abb. 14 Mitte) und das
Plasma-Schmelzen im kalten Tiegel (Abb. 14 links). Beide Technologien besitzen spezifische
Vor- und Nachteile bezüglich der Qualität und der Wirtschaftlichkeit. Der höheren Wirtschaftlichkeit
der Plasma-Technologie stehen prozessbedingt stärkere Schwankungen in den
lokalen Elementkonzentrationen gegenüber, was eine Folge von lokal ungleichmäßigen Überhitzungen
der Schmelze sein dürfte.
Im BMBF-Projekt 03 N 3043 D3 "Umformtechnische Halbzeug- sowie Fertigteilherstellung
und Bauteilerprobung von TiAl-Motorkomponenten" wurde demzufolge für die Herstellung
des Ingot-Materials das Vakuum-Lichtbogen-Schmelzen als Basistechnologie zugrunde gelegt.
Im Rahmen dieses Projektes erfolgte die Technologieentwicklung im Rahmen von Labor-Ingots,
die einen Durchmesser von 75 mm und eine Länge von ca. 150 mm aufwiesen.
Diese Ingots bildeten das Ausgangsmaterial zum Strangpressen von dünnen Stäben, aus denen
im Projektverlauf über konduktives Anstauchen und Schmiede-Umformung Ventilrohlinge
gefertigt wurden. Im sich anschließenden BMBF-Projekt 03 N 3030 "Entwicklung einer Umformtechnik
für intermetallische -TiAl-Legierungen" wurde die erarbeitete Technologie auf
industrielle Prozesse angepasst, so dass nunmehr Ingots mit Durchmessern von bis zu 300
mm und Längen von bis zu 900 mm zur Verfügung stehen.
2
1
3

Herstellung von -TiAl-VAR-Ingots:
42
Abbildung 15 zeigt das allgemeine Prozessschema der Herstellung von -TiAl-
Legierungsingots mittels Vakuum-Lichtbogen-Schmelzen.
Aluminium-Granalien Vorlegierungen Titan-Schwamm
Stäbe pressen
VAR - Elektroden schweissen
3-fach VAR-Schmelzen
Endbearbeitung
Abb. 15: Prozessschema der Ingotherstellung über VAR
Vorlegierungen:
Vorlegierungen sind zum Einbringen der Legierungsbestandteile erforderlich, da diese zum
Teil erheblich voneinander abweichende Schmelztemperaturen besitzen. Die Vorlegierungen
haben deshalb genau die Aufgabe, die Schmelzpunkte der Ausgangsstoffe für den VAR-
Prozess aneinander anzugleichen. Zusätzlich werden über den "Verdünnungseffekt" die Legierungselemente
bereits besser verteilt der VAR-Elektrode zugeführt.
Ausgangspunkt für die Vorlegierungen sind in der Regel Aluminium und Metalloxide. Diese
Bestandteile werden gemischt und in einer selbstgängigen, stark exothermen aluminothermischen
Reaktion (ATR = Alumino-Thermic Reduction) zu einer Aluminium-Metalllegierung
umgesetzt, wie nachfolgend am Beispiel von Niob verdeutlicht wird:
3 Nb2O5 + 16 Al 6 NbAl + 5 Al2O3 + Wärme
Als Resultat der Reaktion entstehen die Vorlegierung Niob-Aluminium und Schlacke. Das
Beispiel ist auf andere Refraktärmetalle wie Cr, Ta, Mo, W oder V übertragbar.
Elektrodenherstellung:
Aus definierten Mischungen von Titan-Schwamm, Aluminium-Granalien und Vorlegierungen
werden Stäbe gepresst, die in einem kombinierten Vakuum-Schutzgas-Prozess zu sogenannten
VAR-Elektroden verschweißt werden.

VAR-Schmelzen:
43
Die Elektroden werden in einen Lichtbogenofen eingehängt. Zwischen der Elektrode und einem
auf den Boden einer wassergekühlten Kupferkokille gelegten Scheibe aus arteigenem
Material wird ein Gleichstrom-Vakuumbogen gezündet, dessen heißer Fußpunkt auf der Seite
der Elektrode liegt und diese abschmilzt. Die Elektrode muss zur Wandung der Kokille einen
ausreichenden Abstand besitzen, um die Entstehung eines Lichtbogens zur Kokille zu vermeiden.
Unter Durchmesservergrößerung entsteht ein Erstschmelz-Ingot, der aber noch eine
unzureichende Legierungshomogenität aufweist. Deshalb wird dieser Ingot erneut umgeschmolzen,
wobei sich der Durchmesser abermals vergrößert. Die entstehenden Ingots besitzen
bereits eine sehr gute Homogenität, die im Verlauf der Projekte durch Prozessoptimierungen
sukzessive verbessert werden konnte.
Für höchste Anforderungen an die Legierungshomogenität ist allerdings ein dritter Umschmelzschritt
im VAR erforderlich. Die folgende Abbildung 16 verdeutlicht die Verbesserung
der makroskopischen lokalen Schwankungen des Aluminium-Gehaltes als Maß für die
Homogenität durch wiederholtes VAR-Schmelzen.
Die beim VAR-Schmelzen prozessbedingt entstehenden Kopflunker werden ebenso wie die
prozessbedingt inhomogenen Fußstücke der Ingots mit speziellen Metallbandsägen
abgeschnitten.
Al concentration (at.-%)
50
49
48
47
46
45
44
43
Al concentration of 1st VAR ingot
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
sample no.
50 mm
Abb. 16a: Lokale Schwankungen des Aluminiumgehaltes in einstufigem VAR–Ingot

Al content (at.-%)
Al content (at.-%)
48.00
47.00
46.00
45.00
44.00
43.00
42.00
48.00
47.00
46.00
45.00
44.00
43.00
42.00
Aluminum concentration
of 2nd VAR ingot
44
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
no. of sample
Aluminum concentration
of 3rd VAR ingot
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
no. of sample
100 mm
100 mm
Abb. 16b: Lokale Schwankungen des Aluminiumgehaltes in zwei- und dreistufigen
VAR–Ingots
Defekte im VAR-Ingot:
Parallel zur Verbesserung der Legierungshomogenität wurde intensiv an der Vemeidung von
kritischen Defekten im Ingotmaterial gearbeitet. Im Verlauf der Entwicklungsprojekte wurden
verschiedenartige Defekte in VAR-Ingots detektiert.
Die wichtigsten dieser Defekte sind:
- Seigerungen von hochdichten und hochschmelzenden Komponenten
- Poren, Lunker und Risse
- Oxidische, nitridische, karbidische, silizidische und boridische Einschlüsse
- Titanreiche Zonen.

45
Diese Defekte, die sich äußerst kritisch auf das spätere Bauteilverhalten auswirken können,
wurden durch abgestimmte technologische Maßnahmen insbesondere bezüglich der
Optimierung von Schmelzparametern beseitigt. Diese Optimierungen müssen für jede
Legierungszusammensetzung erneut durchgeführt werden, was im Ergebnis wegen stets
unterschiedlicher Herstellungsparameter hohe Anforderungen an das
Qualitätssicherungssystem stellt, das inzwischen durchgängig nach ISO 9001:2000
implementiert wurde.
1.3.1.3. Perspektiven
Die GfE Metalle und Materialien GmbH ist heute weltweit ein führender Hersteller von -
TiAl-Ingotmaterialien für Umform- und Gussanwendungen. Die Ingots werden gemäß
Kundenspezifikation hergestellt. Das vorhandene Qualitätssicherungssystem gestattet die
vollständige Prozesskontrolle von den Rohstoffen bis zur Endlegierung. Die gegenwärtigen
Standard-Dimensionen der VAR-Ingots sind in der folgenden Tabelle (siehe auch Abbildung
17) zusammengefasst:
(mm) Länge (mm) Masse (ca. kg)
120 200 9
140 600 37
180 900 92
220 800 120
300 700 200
Abb. 17: -TiAl-Ingots, links 220 mm, rechts 120 mm

46
Bezüglich der Legierungszusammensetzung bestehen Erfahrungen auf der Basis von mehr als
50 verschiedenen Legierungen, die kundenspezifisch auch in anderen Ingot-Abmessungen
hergestellt werden können.
Die GfE hat zwischenzeitlich die Voraussetzungen für eine industrielle -TiAl-VAR-Ingot-
Produktion geschaffen (vergleiche Abbildung 18).
Abb. 18: Versandfertige -TiAl-Ingots
1.3.1.4. Veröffentlichungen
V. Güther, H. Cramer und W. Smarsly: " Entwicklung des Reib- und Laserstrahlschweißens
von TiAl und NiAl", 2. Symposium Neue Werkstoffe in Bayern, Berichtsband
S. 284, Bayreuth, März 1998.
H. Heegn, W. Smarsly, V. Güther
Pulvermetallurgische Herstellung von Bauteilen auf Basis TiAl und deren Erprobung
Werkstoffwoche 1998, München, Bd. VIII, Wiley-VCH, 1999.

47
V. Güther, A. Otto, H. Kestler and H. Clemens
Processing of Gamma TiAl Based Ingots and their Characterization
TMS Conference Proceedings "Gamma Titanium Aluminides 1999", San Diego 1999.
V. Güther, A. Otto, L. Zhao, E. Lugscheider und H. Reymann
Entwicklung von Titan- und Titanlegierungspulvern für das reaktive Plasma-
Formspritzen zur Herstellung von hartphasenverstärkten Metall-Matrix-
Kompositwerkstoffen, Werkstoffwoche 1998, München, Bd. II, S. 185, Wiley-VCH,
1999.
V. Güther, A. Otto und N. Eberhardt,
Herstellung und Eigenschaften von mechanisch zerkleinerten - TiAl Pulvern und
daraus gefertigten Bauteilen, Werkstoffwoche 1998, München, Bd. II, S. 447, Wiley-
VCH, 1999.
V. Güther
Properties, processing and applications of gamma-based TiAl
Proc. 9 th Ti World Conference, 08.-11.06.1999, Saint Petersburg.
D. Zhang, P. Kopold, V. Güther and H. Clemens
Influence of Heat Treatments on Colony Size and Lamellar Spacing in a Ti-46Al-2Cr-
2Mo-0,25Si-0,3B Alloy, Z. f. Metallkunde,91 (2000) 3.
V. Güther, A. Otto, R. Gerling, H. Clemens and H. Kestler
Recent Improvements in TiAl Ingot Metallurgy
Proceedings of Aeromat 2000, June 2000, Seattle, USA.
V. Güther, R. Joos, H. Clemens
Microstructure and Defects in -TiAl based Vacuum Arc Remelted Ingot Materials
3 rd Int. Symp. on Structural Intermetallics, April 2002, Jackson Hole WY, USA.
Chatterjee, V. Güther, V.Küstner, F. Appel, and H. Clemens
Progress of -TiAl based Vacuum Arc Remelting technology: large scale ingots and
alloy design, Proceedings of Aeromat 2000, June 2002, Orlando, USA.
V. Güther, A. Chatterjee and H. Kettner
Properties, Applications and Production of Gamma Titanium Aluminides
International Titanium Association`s 18 th Annual Conference and Exhibition,
October 2002, Orlando, USA.

1.3.2. Strangpressverfahren zur Herstellung von TiAl-Ventilen
Autoren: H. Kestler, N. Eberhardt, Plansee Aktiengesellschaft Reutte
Die Partner des Verbundes waren:
- EuroVal Motorkomponenten, Bad Homburg (heute Mahle Motorventile GmbH)
- DaimlerChrysler AG, Ulm
- Metallwerk Plansee GmbH, Reutte (Österreich)
- Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf
- GfE Metalle und Materialien GmbH, Nürnberg
1.3.2.1. Motivation und Zielsetzungen
48
Zu Beginn dieses Projektes war aus maschinenbaulichen Überlegungen heraus bereits klar,
dass durch die Anwendung von γ-TiAl-Gaswechselventilen im Automobilmotor eine Leistungssteigerung
erwartet werden kann. Dies resultiert vor allem aus der gegenüber Ventilen
aus Konkurrenzwerkstoffen wie Stählen oder Titanlegierungen niedrigen Dichte, der hohen
spezifischen Steifigkeit (E/ρ ~ 40 GPa g -1 cm 3 ) und der hohen spezifischen Festigkeit von γ-
TiAl-Ventilen, die dadurch selbst gegenüber modernen Leichtbaukonzepten (z.B. Hohlventile)
noch Vorteile aufweisen. Damit war die Zielsetzung anwenderseitig definiert.
Demgegenüber stand zum damaligen Zeitpunkt keine oder eine nur in Ansätzen entwickelte
Industriestruktur zur Verarbeitung dieser Werkstoffklasse zur Verfügung. Zwar konnte in
früheren Projekten die industrielle Machbarkeit verschiedener Einzeltechnologien, wie die
Herstellung von Vormaterial durch Lichtbogenumschmelzen zu γ-TiAl-Ingots und Inertgasverdüsung
von Schmelzen zu γ-TiAl-Pulvern, sowie vor allem isothermes Umformen zur
Herstellung verschiedener Halbzeugformen erfolgreich demonstriert werden, jedoch ein
durchgängiges Fertigungskonzept für die industrielle Serienproduktion von γ-TiAl-Ventilen
auf konventionellen Anlagen bestand nicht.
So war es nahe liegend, die Entwicklung der Ventile innerhalb eines Konsortiums durchzuführen,
welches die gesamte industrielle Fertigungskette abdeckt und zusätzlich durch die
Einbindung eines Forschungsinstituts sowie eines Endanwenders sowohl die notwendige wissenschaftliche
als auch die technologische Bewertung der entwickelten Technologie gewährleisten
konnte.
1.3.2.2. Umsetzung und Ergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wurden zwei Fertigungsrouten zur Herstellung von γ-TiAl-
Ventilen parallel entwickelt, die im folgenden als Ingotroute und Pulverroute bezeichnet werden.
Ziel der Ingotroute war es, mehrfach im Lichtbogenofen umgeschmolzene γ-TiAl-Ingots
(GfE) mittels eines zweistufigen Strangpressprozesses zu Stäben zu verarbeiten (Plansee), die
als Halbzeug zur Fertigung von Ventilrohlingen über konduktive Erwärmung, anschließendes
Anstauchen und quasi-isothermes Schmieden (EuroVal) dienten. Abbildung 19 zeigt schematisch
die einzelnen Fertigungsschritte.

Abb. 19: Schematische Darstellung der Fertigungsschritte von TiAl(Mo,Si)-Ventilen
nach der Ingotroute (siehe /1/)
49
Die wesentlichen Weiterentwicklungen dieses Projektteiles, die letztlich zur erfolgreichen
Herstellung von TiAl(Mo,Si)-Ventilen und zur positiven Bewertung im Motortest führten,
sollen in folgenden kurz aufgelistet werden. Detaillierte Informationen können aus /2,1/ entnommen
werden:
Optimierung der γ-TiAl-Ingotherstellung über Lichtbogenumschmelzen und Aufskalierung
der Ingotdimensionen auf industriellen Maßstab,
Entwicklung einer Ti-47Al-1Mo-0.2Si (At%)-Legierung, die sich durch einen guten
Kompromiss zwischen Festigkeit, Umformbarkeit und Oxidationsbeständigkeit auszeichnet
/1/,
Mehrstufiges Strangpressen von γ-TiAl-Ingots auf konventionellen (nicht isothermen)
Aggregaten mit Strangpressverhältnissen (PV) größer 200:1,
Adaptierung des Anstauchverfahrens und des quasi-isothermen endformnahen
Schmiedens stranggepresster γ-TiAl-Stäbe (PV 225:1),
Erfolgreicher Test umgeformter γ-TiAl-Ventile im Prüfstand und im Straßeneinsatz.
Im Gegensatz zur Ingotroute, die ein mehrstufiges Umformverfahren darstellt, sollte mit der
Pulverroute eine sogenannte Near-Net-Shape(NNS)-Technologie, welche die Herstellung von
γ-TiAl-Ventilen in wenigen Arbeitsschritten erlaubt, untersucht werden.

50
Als Vormaterial kamen inertgasverdüste γ-TiAl-Pulver mit der Zusammensetzung Ti-46.5Al-
4(Cr,Nb,Ta,B) zum Einsatz, die durch heißisostatisches Pressen (HIP) verdichtet wurden.
Dieses Verfahren erlaubt durch die Verwendung von HIP-Kapseln , deren Geometrie nahezu
der Endform eines Ventiles entspricht, die Einsparung der o.g. Umformschritte und kann dadurch
einen Kostenvorteil ermöglichen.Die wesentlichen Prozessschritte der Pulverroute sind
in Abbildung 20 dargestellt.
Abb. 20: Schematische Darstellung der Fertigungsschritte von Ti-46.4Al-4(Cr,Nb,Ta,B)-
Ventilen über die Pulverroute
Ergebnisse:
Über beide Fertigungsrouten konnten erfolgreich γ-TiAl-Ventile hergestellt und in Motortests
bei DaimlerChrysler getestet werden. Hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit bei monotoner und ihrer
Wechselfestigkeit bei zyklischer Beanspruchung ist jedoch die Ingotroute zu favorisieren.
Abbildung 21 soll diesen Sachverhalt am Beispiel der Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze
verdeutlichen. Eingetragen sind jeweils die für beide Werkstoffe typischen Bereiche
der Festigkeiten.
Im Falle des über die Ingotroute hergestellten Materials ist zusätzlich der festigkeitssteigernde
Effekt höherer Strangpressverhältnisse zu erkennen (untere Grenze des Festigkeitsbereiches:
PV 12:1, obere Grenze: PV 122:1).

Abb. 21: Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze der untersuchten Werkstoffe
51
Hier muß angemerkt werden, dass die Bewertung der mechanischen Eigenschaften der beiden
Werkstoffe wegen ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen eigentlich unzulässig
ist. Jedoch konnte der hier dargestellte Sachverhalt in späteren Unersuchungen an der
Ti-46.5Al-4(Cr,Nb,Ta,B)-Legierung bestätigt werden.
Neben den mechanischen Eigenschaften sind die Herstellkosten für die Markteinführung der
γ-TiAl-Ventile ein weiterer wichtiger Aspekt. Berechnungen haben ergeben, dass unter Berücksichtigung
weiterer Prozessoptimierungen die Herstellkosten der schmelzmetallurgisch
hergestellten Ventile niedriger liegen als die der pulvermetallurgischen Route. Der hauptsächliche
Kostentreiber der Near-Net-Shape-Technologie sind die heute noch deutlich höheren
Vormaterialkosten.
Auf der Basis der in diesem Projekt gewonnenen Ergebnisse müssen die Chancen, über den
schmelzmetallurgischen Fertigungsweg (Strangpressen + Stauchen + Schmieden) in technischer
und wirtschaftlicher Hinsicht konkurrenzfähige Ventile herzustellen, als höher eingeschätzt
werden als die über die Pulverroute.
Kurz- und mittelfristig könnten sich γ-TiAl-Ventile aufgrund der im Vergleich zum kommerziellen
Stahlventil hohen Fertigungskosten in Nischenanwendungen, z.B. in Rennsportmotoren,
durchsetzen. Langfristig ist aber auch der Einsatz in herkömmlichen PKW- und LKW-
Motoren denkbar.

1.3.2.3. Perspektiven
52
Die in diesem erfolgreichen Projekt gewonnenen Ergebnisse und die entwickelten Technologien
fanden in den Folgejahren eine direkte Fortsetzung bei der Entwicklung einer Industriestruktur
für γ-TiAl-Werkstoffe, die heute nicht nur die Basis für die Fertigung von TiAl-
Ventilen, sondern darüber hinaus für die Herstellung einer ganzen Reihe von γ-TiAl-
Produkten dienen kann.
So konnte auf der Basis der gewonnenen Betriebsdaten und Prozessparameter die Herstellung
von γ-TiAl-Ingots und deren Weiterverarbeitung in den industriellen Maßstab überführt werden
– eine wichtige Voraussetzung für die Etablierung weiterer Anwendungen dieser Werkstoffklasse,
die auf der Umformtechnik beruhen (vor allem Motor- und Triebwerkskomponenten).
Erwähnt werden muss aber, dass die positiven Ergebnisse aus der Erprobung umformtechnisch
hergestellter γ-TiAl-Ventile und die erfolgreiche Umsetzung der oben beschriebenen
Technologien zur Herstellung von γ-TiAl-Halbzeugen bisher keine kommerzielle Anwendung
in Hochleistungsmotoren gefunden haben.
In weiterer Folge wurde jedoch bei PLANSEE, aufbauend auf diesen Erkenntnissen und der
Strangpresstechnologie, eine eigene Prozesstechnik für die γ-TiAl-Ventilherstellung entwickelt
und im März 2002 bei der Fa. Sinterstahl GmbH in Füssen in einen eigenständigen Geschäftsbereich
überführt.
1.3.2.4. Veröffentlichungen
1. S. Knippscheer, G. Frommeyer: Intermetallic TiAl(Cr,Mo,Si) Alloys for Lightweight
Engine Parts, Advanced Engineering Materials, 1:187-191, 1999.
2. V. Güther, A. Otto, H. Baur, R. Joos, O. Berg, M. Lohmann, G. Frommeyer, S.
Knippscheer, N. Eberhardt, H. Kestler,: TiAl Automotive Valves – Fabrication and
Properties, in P.J. Winkler (Herausgeber): Materials for Transportation Technology
(Euromat 99), S. 110, Weinheim, 2000, DGM, Wiley-VCH.
3. N. Eberhardt, A. Lorich, R. Jörg, H. Kestler, W. Knabl, W. Köck, H. Baur, R. Joos, H.
Clemens: Pulvermetallurgische Herstellung und Charakterisierung von Formkörpern
aus einer intermetallischen Ti-46.5Al-4(Cr,Nb,Ta,B)-Legierung, Z. Metallkunde,
89(11): 772 – 778,1998.

1.3.3. Permanentkokillenguss-Prozess für TiAl-Ventile
Autor: P. Busse, ACCESS e.V.
Die Partner des Verbundes waren:
- ACCESS e.V.
- ALD Vacuum Technologies GmbH
- BMW AG
- Institut für Elektrothermische Prozesstechnik, Universität Hannover
- Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf
- Titan-Aluminium-Feinguss GmbH
- TRW Deutschland GmbH
- WC Heraeus GmbH
1.3.3.1. Motivation und Zielsetzung
53
Ein Ansatzpunkt zur Wirkungsgradoptimierung von Automotoren ist die nahezu stöchiometrische
Verbrennung des Kraftstoffs. Dies bedeutet allerdings eine Anhebung der mittleren Abgastemperatur
von derzeit 700° auf ca. 900°C. Hierdurch steigt die Betriebstemperatur einiger
Motorenkomponenten, insbesondere die der Auslassventile.
Konventionelle Stahlventile sind den erhöhten Einsatzbelastungen nicht mehr gewachsen. Ein
weiterer Ansatz ist die elektromagnetische Ventilsteuerung mit variablen Steuerzeiten. Dieses
Konzept ist nur dann umsetzbar, wenn die bewegte Ventilmasse reduziert wird.
Vor diesem Hintergrund steigt das Interesse an leichten Hochtemperaturlegierungen, wie z.B.
intermetallischen -Titanaluminiden (TiAl). TiAl verfügt über ausreichende Festigkeitseigenschaften
für diesen Anwendungsbereich bis zu Einsatztemperaturen von nahezu 850°C und ist
darüber hinaus rund 50% leichter als Stahl- bzw. Superlegierungen. Selbst bei einer konventionellen
Nockensteuerung kann das gesamte Ventiltriebsystem leichter ausgeführt und dessen
Reibleistung und Geräuschentwicklung reduziert werden.
Ziel des BMBF-Verbundprojekts “Permanentkokillenguss-Prozess für TiAl-Ventile“ war die
Entwicklung eines neuen Gießprozesses, der den Aufbau der TiAl-Legierungen sowie das
Gießen einer Vielzahl endkonturnaher Ventile in einem Arbeitsgang ermöglicht. Nur so lässt
sich die Voraussetzung für eine wirtschaftliche Massenfertigung von TiAl-Ventilen erreichen.
1.3.3.2. Umsetzung und Ergebnisse
Die Reaktivität und der hohe Schmelzpunkt der TiAl-Legierungen stellen hohe Anforderungen
an die Schmelztechnik. Der maximal tolerable Sauerstoffgehalt liegt bei ca. 1000 bis
1200 ppm. Bei höheren Gehalten sinken die mechanischen Eigenschaften dramatisch. Das
Erschmelzen größerer Mengen in keramischen Tiegeln scheidet deshalb für eine Massenproduktion
aus.
Außerdem ist das Arbeiten unter Vakuum oder Schutzgas eine zwingende Voraussetzung für
dieses Material, genauso wie der Einsatz metallischer Dauerformen, um die Herstellung der
Ventile zu marktgängigen Preisen erreichen zu können.

54
Für das neue Gießverfahren wurde aus diesen Gründen die Kaltwand-Induktions-Tiegel
Technologie (KIT) herangezogen. Mit dieser Technik kann TiAl nicht nur keramikfrei geschmolzen
und überhitzt werden, sondern sie bietet auch die Möglichkeit, das Material direkt
aus den einzelnen Legierungskomponenten aufbauen zu können. Allerdings ist die Überhitzung
des Materials begrenzt, so dass der Gießvorgang möglichst rasch erfolgen muss.
Auch stellen Ventile, trotz ihrer relativ einfachen Geometrie hohe Anforderungen an die
Gießtechnologie. So sind die Formfüllung der dünnen Schäfte und die kontrollierte lunkerfreie
Erstarrung durch die relativ große Speisungslänge in diesem Bauteilbereich anspruchsvoll.
Um eine schnellen Formfüllung und einen hohen Gieß- bzw. Nachspeisungsdruck
zu erreichen, wurde die Schleudergusstechnologie in Kombination mit einer metallischen
Dauerform in die Herstellungsroute integriert.
Zur Verwirklichung des Projektes mussten für alle Prozessschritte geeignete technische Lösungen
erarbeitet werden, bevor eine entsprechende Laboranlage am Institut für Elektrowärme
der Universität Hannover aufgebaut und experimentelle Studien durchgeführt werden
konnten.
Als erster Schritt wurde bei ACCESS mittels numerischer Simulation und Experimenten in
einer kleinen Katapultgießanlage im Einzelabguss nachgewiesen, dass durch Gradientenbeheizung
der Kokille zur Erstarrungslenkung in Kombination mit einem durch Zentrifugalkräfte
erhöhten Nachspeisungsdruck die Eigenschaften der Ventile wesentlich verbessert werden
können. Durch die Art der Prozessführung besteht die Möglichkeit, anders als im isothermen
Schwerkraftkokillen- oder -feinguss, die auftretende Restporosität im hinteren Bereich
der im Belastungsfall „neutralen“ Schaftachse zu konzentrieren.
Basierend auf den analytischen, experimentellen und numerischen Untersuchungen wurde
eine Topfkokille mit 5 Lagen á 12 Ventilen mit Telleranschnitt konzipiert sowie der einzustellende
Drehzahlbereich des Schleudertisches und die benötigte Vorwärmtemperatur der Kokille
vorgegeben. Die Konstruktion der Kokille ist von WC Heraeus GmbH übernommen worden.
Die Kokille besteht aus einem Stahlkorsett, in welches Kokillennester aus Niob eingelegt
und verankert werden. Der Werkstoff Niob zeichnet sich durch einen hohen Schmelzpunkt
aus und hat eine hohe Standzeit gegenüber TiAl-Schmelzen.
Parallel zur Auslegung der Kokille wurden durch ALD Vacuum Technologies AG und EWH
Hannover Untersuchungen zur Optimierung der KIT Schmelztechnik insbesondere unter dem
Aspekt der maximal erreichbaren Überhitzung durchgeführt. Auch fanden Untersuchungen
zum Aufbau der TiAl-Legierungen aus reinen Legierungselementen statt. Innerhalb des Projektes
wurden die Legierungen: Ti48Al48Cr2Nb2 (entwickelt von General Electric/USA) und
Ti52Al46.8Cr1Si0.2 (entwickelt vom Max Planck Institut für Eisenforschung in Düsseldorf) eingesetzt.
Im Anschluss an die Heißinbetriebnahme der Laboranlage erfolgte die Optimierung der Gieß-
und Anlagenparameter durch eine DoE-gestützte Versuchsserie. Die Ergebnisse der Parameterstudie
ließen deutlich erkennen, dass unabhängig von den eingestellten Parametern die
mechanischen Anforderungen bezüglich Streckgrenze und Zugfestigkeit von jedem untersuchten
Ventil erfüllt werden konnten. Selbst die Duktilität der Ventile lag, so zeigten die
Untersuchungen des MPI, Düsseldorf, bis auf wenige Ausnahmen über dem Zielwert von 1%.
Die Ventile wiesen ein voll lamellares Gefüge auf, das in drei charakteristische Zonen eingeteilt
werden kann: eine äußere, sehr feine globulitische Zone, eine sich anschließende Stängelkristallzone
und ein innerer globulitisch erstarrter Bereich. Vorhandene Restporosität kon-

55
zentrierte sich auf die neutrale Schaftachse und war somit ohne Einfluss auf die Eigenschaften
im Belastungsfall. Es konnte dokumentiert werden, dass es sich bei dem neuen Herstellungsverfahren
um einen robusten Prozess handelt - die wesentliche Voraussetzung für eine spätere
Massenproduktion. Abbildung 22 zeigt den nach dem Abguss in der Laboranlage der EWH
Hannover entstandene Gießbaum mit den TiAl-Ventilen.
Abb. 22: Gießbaum mit TiAl-Ventilen
Wie die Ventilrohlinge zu einsatzfähigen Ventilen verarbeitet werden können, wurde bei
TRW Deutschland GmbH untersucht. Insbesondere musste geprüft werden, ob konventionelle,
d.h. vorhandene Bearbeitungsstrecken für Stahlventile auch für die Weiterverarbeitung
von TiAl-Gussrohlingen geeignet sind. Entsprechende Bearbeitungsversuche ergaben, dass
durch Adaption der Bearbeitungsparameter die Endbearbeitung ohne technische Änderungen
in der Bearbeitungsstrecke möglich ist. Jedoch müssen TiAl-Ventile aufgrund ihrer geringeren
Härte im Gegensatz zu konventionellen angelassenen Stahlventilen beschichtet werden.

56
In einer Zusammenarbeit zwischen TRW Deutschland GmbH und BMW AG konnte die Praxistauglichkeit
der Ventile zum Abschluss des Projektes durch einen erfolgreich abgeschlossenen
Motortest über 500h nachgewiesen werden.
1.3.3.3. Perspektiven
Mit dem neu entwickelten Gießprozess lassen sich TiAl-Ventile in größeren Stückzahlen kostengünstig
herstellen. Die mechanischen Eigenschaften liegen über den Erwartungen. Die
Bearbeitung ist mit konventionellen Methoden möglich und die Eignung der Ventile konnte
unter realen Bedingungen in einem Motortest nachgewiesen werden.
Trotz des bekundeten Interesses der Autokonzerne werden diese TiAl-Ventile bei der Entwicklung
neuer Motoren erst dann Berücksichtigung finden, wenn nachzuweisen ist, dass der
neue Gießprozess das Potenzial für eine kostengünstige Massenproduktion bei gleichbleibend
hoher Qualität besitzt. Hierzu ist eine Prototypenanlage notwendig, mit der letztendlich die
Qualifizierung des Gießprozesses als Massenherstellungsverfahren für kostengünstige TiAl-
Ventile nachgewiesen werden kann. Das Konzept einer solchen Anlage wurde bereits in Zusammenarbeit
zwischen ALD und ACCESS erstellt und ist Gegenstand eines neuen Forschungsprojektes
– beschrieben in Abschnitt 2.1.3., Förderzeitraum 1999 bis 2002.
1.3.3.4. Veröffentlichungen
P. Busse, A. Choudhury, M. Blum, G. Jarczyk, D. Lupton, M. Gorywoda: Low Cost
Production of TiAl Automotive Valves Using Cold Wall Induction Melting and Permanent
Mold Centrifugal Casting. Proc. 30th ISATA, International Symp. on Auto-
motive Technology and Automation, Florence, June 16 -19 1997 pp 473-480,
Choudhury, M. Blum, G. Jarczyk, H. Scholz, P. Busse: Low Cost Production of TiAl
Automotive Valves Using Cold Wall Induction Melting and Permanent mold Centrifugal
Casting. Proc. of TMS Symposium on Titanium Extraction and Processing,
Sept. 14-18 1997, Indianapolis, USA. Ed. by B. Mishra, G.J. Kipouros, Warrendale:
TMS 1997,
Choudhury, M. Blum, H. Scholz, G. Jarczyk, P. Busse: Massenherstellung von TiAl-
Automobilventilen durch Schmelzen und Schleudergießen in einem Arbeitsgang.
Werkstoffwoche ’98, Band II, 109-114, Ed. by R. Stauber, Ch. Liesner, R. Bütje, Wiley-VCH,
1998,
Choudhury, M. Blum, H. Scholz, G. Jarczyk, P. Busse, G. Frommeyer, S. Knippscheer:
Properties of Low Cost TiAl Automotive Valves Produced by Cold Wall Induction
Melting and Permanent Mold Centrifugal Casting. Proc. of International Symposium
on Gamma Titanium Aluminid Alloys, San Diego, 28.02.-04.03.1999,
Choudhury, M. Blum, H. Scholz, G. Jarczyk, P. Busse: Quality Assessment of Centrifugally
Cast Titanium-Aluminide Automotive Valves in a Permanent Mold., International
Symposium on Liquid Metal, Processing and Casting, Santa Fe USA, Feb.
1999,

57
M. Blum, A. Choudhury, G. Jarczyk, H. Scholz, P. Busse, G. Frommeyer, S. Knippscheer,
H.J. Laudenberg, K. Segtrop: Properties of Low Cost TiAl Automotive Valves
Produced by Cold Wall Induction Melting and Permanent Mold Centrifugal Casting,
Proc. 9th World Conference on Titanum, St. Petersburg, Russia, 1999.
1.3.4. Schmiedeverfahren für TiAl-Schaufeln
Autoren: F. Appel, M. Oehring, GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Die Partner des Verbundvorhabens waren:
- Thyssen Umformtechnik und Guss GmbH, Remscheid,
- Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co.KG, Oberursel,
- GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH
1.3.4.1. Zielsetzungen
Wie in den vorangegangenen Abschnitten schon dargestellt wurde, war zu Beginn dieses
Vorhabens die Herstellung von Bauteilen aus γ-Titanaluminid-Legierungen über die Feingussroute
bereits weit entwickelt und hatte im Flugturbinenbereich zu den ersten erfolgreich
absolvierten Komponententests von Niederdrucktubinenschaufeln geführt. Allerdings lässt
sich die Feingusstechnologie nicht für hochbeanspruchte Bauteile in Flugturbinen einsetzen,
an die wie für Laufschaufeln im Hochdruckverdichter von Flugtriebwerken besondere Anforderungen
hinsichtlich ihrer Wechselfestigkeit und Zuverlässigkeit gestellt werden. Für solche
Anwendungen ist eine umformtechnische Herstellung unumgänglich, da im Gegensatz zu
Gussrouten die Gefügeeinstellung beim Umformen in weiten Grenzen variiert und konsolidierte
Gefüge erreicht werden können. Daher war es das Ziel dieses Vorhabens, eine industrielle
Schmiedetechnologie zu entwickeln, mit der sich Verdichter-Laufschaufeln mit optimierten
Gefügen herstellen lassen.
Das Umformvermögen von γ-TiAl-Legierungen ist auch bei Temperaturen oberhalb des spröde/duktil-Überganges
begrenzt. Eine besonders schlechte Voraussetzung stellen die groben,
segregierten und texturierten Gefüge dar, die besonders in großen Primärgussblöcken auftreten.
In diesem Vorhaben wurde deshalb ein zweistufiger Umformprozess vorgesehen, bei dem
durch Heißstrangpressen in einem ersten Umformschritt schmiedefähiges Material hergestellt
werden sollte (Abbildung 23).
Neben Primärgussblöcken wurde in einer zweiten Route Pulvermaterial als Ausgangsmaterial
eingesetzt, für das wegen höherer Gefügehomogenität und -feinheit ein günstigeres Umformfenster
erwartet wurde. Für das Vorhaben wurde die bei GKSS entwickelte γ-TAB-Legierung
verwendet, für die im Feingusszustand ein vollständiger Satz an Gebrauchsdaten ermittelt
worden war.

Abb. 23: Prozessschritte für die Herstellung geschmiedeter Verdichter-Laufschaufeln
1.3.4.2. Umsetzung und Ergebnisse
58
Das Gefüge des Primärgussmaterials bestand aus primär vom Blockrand aus erstarrten Stengelkristallen,
die sich beim weiteren Abkühlen in Lamellenkolonien mit einer Größe bis in
den Millimeterbereich umgewandelt hatten, wobei die Lamellen bevorzugt zur Wärmeflussrichtung
ausgerichtet sind. Das Material ist daher durch eine scharfe Gusstextur gekennzeichnet.
Für die Pulverroute wurde verdichtetes Pulvermaterial verwendet, das in der Inertgasverdüsungsanlage
'PIGA' des GKSS-Forschungszentrums aufgeschmolzen und verdüst worden
war. In diesem Zustand lag das Pulvermaterial mit einem sehr feinen und gleichmäßigen globularen
Gefüge vor, das eine Korngröße von ungefähr 1 µm aufwies.
Strangpressen zur Primärumformung:
Wie schon einleitend dargestellt wurde, ist das Umformvermögen von γ-TiAl-Legierungen
auch noch beträchtlich oberhalb des Übergangs vom spröden zum duktilen Materialverhalten
gering, insbesondere für Primärgussmaterial. Eine weitere Schwierigkeit für das Warmumformen
von γ-TiAl-Legierungen liegt in der ausgeprägten Abhängigkeit des Umformwiderstandes
von Temperatur und Formänderungsgeschwindigkeit. Dies bedingt für das Strangpressen
ein Kapseln der Rohlinge, um zu große Wärmeverluste beim Pressen in das relativ
kühle Werkzeug zu vermeiden, was zum Aufreißen des Materials führen würde. Hierbei muss
allerdings berücksichtigt werden, dass der Umformwiderstand von γ-Titanaluminid-
Legierungen beträchtlich höher ist als derjenige verfügbarer Kapselmaterialien. Dieses Problem
ließ sich mit einem speziellen, inzwischen patentierten Design der Strangpresskapseln
lösen, mit dem eine effektive Wärmeisolation von Kapsel und Werkstück erreicht wurde [1].
Diese Kapseltechnik erlaubt es, nach dem Anwärmen der Kapseln das Kapselmaterial im
Vergleich zum Kern soweit abzukühlen, dass Kapsel und Kern nahezu gleichen Umformwiderstand
aufweisen und ein gleichmäßiges Strangpressen ermöglichen.

59
Die meisten Strangpressungen wurden im Forschungszentrum Strangpressen der TU Berlin
unter der Leitung von Dr. K. Müller durchgeführt, wobei ein Strangpressverhältnis von 7.3:1
und eine Anwärmtemperatur von 1250 °C gewählt wurden. Ingesamt wurden mehr als 50
Stränge mit einem Durchmesser von 30 mm fehlerfrei hergestellt. Nach dem Strangpressen
wurde eine ausgeprägte Gefügeverfeinerung und -homogenisierung des Primärgussmaterials
festgestellt. Das ursprünglich grobe, lamellare Gefüge wurde nahezu vollständig rekristallisiert
und in ein gestreiftes globulares Gefüge aus feinen γ -Körnern umgewandelt. EDX-
Untersuchungen zeigten, dass die gestreifte Morphologie auf die Erstarrungssegregation zurückzuführen
ist. Stranggepresstes Pulvermaterial wies ein geringfügig feineres, aber deutlich
homogeneres Gefüge auf, was wegen der reduzierten Seigerung beim Erstarren auch erwartet
worden war. Damit war das wesentliche Ziel dieses ersten Umformschrittes erreicht, feinkörniges
Material für das nachfolgende Schaufelschmieden herzustellen.
Zylinderstauchversuche:
Das Umformverhalten von stranggepresstem Material wurde in einem weiten Bereich von
Prüftemperaturen und Umformgeschwindigkeiten in reibungsfreien Zylinderstauchversuchen
untersucht. Die dabei erhaltenen Fließkurven dienten auch der FE-Simulation für die einzelnen
Schmiedeschritte bei der Bauteilherstellung. Alle gemessenen Fließkurven zeigten zunächst
einen Anstieg auf sehr hohe Fließspannungen, wobei bis zu 1120 MPa erreicht wurden.
Mit steigendem Umformgrad ist dann ein Abfall auf einen stationären Wert beobachtet worden
- verursacht durch dynamische Rekristallisation, wie Gefügeuntersuchungen zeigten. Bei
hohen Umformgeschwindigkeiten traten in diesen Versuchen auch in Proben aus Pulvermaterial
Risse auf, womit sich die ursprünglich geplante Herstellung von Schaufeln aus PM-
Material mit konventionellen Umformaggregaten (Spindelpressen) als nicht durchführbar
erwies.
Weiterhin zeigten die Stauchversuche die erwartete hohe Geschwindigkeits- und Temperaturempfindlichkeit
der Fließspannung, die zur Folge hatte, dass für das Schmieden eine langsame
Umformgeschwindigkeit und eine relativ hohe Umformtemperatur gewählt werden mussten.
Um bei diesen Bedingungen ein Auskühlen des Materials durch die langen Druckberührungszeiten
bei der schmiedetechnischen Herstellung zu vermeiden, müssen die Gesenke ebenfalls
auf Schmiedetemperatur erwärmt werden. Begleitende Gefügeuntersuchungen der
Stauchversuche zeigten, dass sich durch das Schmieden unter den endgültig gewählten Bedingungen
eine Homogenisierung des Gefüges im Vergleich zum Zustand nach dem Strangpressen
erreichen lässt, eine völlig Beseitigung der streifigen Morphologie war jedoch nicht
möglich.
Schmieden auf einer Isothermschmiedepresse:
Für das Gesenkschmieden stand eine hydraulische Presse mit einer maximalen Presskraft von
4 MN zur Verfügung. Da für das Isothermschmieden oberhalb 900°C als Gesenkmaterial nur
Molybdänlegierungen in Frage kamen, musste die Presse auf Betrieb unter Schutzgas umgerüstet
werden. Für die Herstellung der Schaufeln wurden die Umformschritte zunächst von
der Fertigung der serienmäßigen Inco718-Schaufel (eine Nickel-Basis-Superlegierung) abgeleitet.
Allerdings konnten einige der vorgesehenen Schmiedeschritte nicht angewendet werden,
da die Gesenke dabei zu stark verformt wurden, wie Schmiedeversuche ergaben. Es wurde
daher für die Herstellung der Vorformen ein völlig neues Gesenk entworfen und die geänderten
Schmiedeschritte mit einer Finit-Element-Rechnung simuliert (Abbildung 24). Mit
dem neu entwickelten Verfahren konnten in insgesamt 3 Schmiedeschritten mehr als 250
Aufmaßschaufeln fehlerfrei hergestellt werden (Abbildung 25). Die Bildsamkeit des Werk-

60
stoffs übertraf bei den gewählten Umformbedingungen die Erwartungen, wobei insbesondere
die Einhaltung der richtigen Umformgeschwindigkeit wichtig war. Beim Schmieden der Vorformen
aus Pulvermaterial konnte keine Verbesserung der Umformbarkeit festgestellt werden,
wie schon anhand der Stauchversuche abzusehen war. Ein Einsatz von Pulvermaterial ist daher
für die hier vorgesehene Anwendung nicht attraktiv.
Abb. 24: FE-Simulation des Isothermschmiedens –
Vergleichsumformgrad in der fertig
geschmiedeten Schaufel
Abb. 25: Herstellungsstadien der Verdichter-Laufschaufel
Neben der Herstellung von Aufmaßschaufeln war in diesem Vorhaben auch das Präzisionsschmieden
von Schaufeln vorgesehen. Es stellte sich jedoch heraus, dass aufgrund lokaler
Überschreitungen der Warmfestigkeit des Gesenkwerkstoffes auf Molybdänbasis der Gesenkverschleiß
zu groß war, um die geforderten Toleranzen um 0.01 mm einhalten zu können. Ein

61
Präzisionsschmieden von γ-Titanaluminidschaufeln ist also nur mit neuen Gesenkwerkstoffen
möglich.
Das erfolgreiche Gesenkschmieden von Schaufeln legte nahe zu versuchen, auch für das Primärumformen
von Ingotmaterial Isothermschmieden einzusetzen. Im Gegensatz zu quasiisothermen
Umformverfahren lässt sich auf diese Weise das aufwändige Kapseln der Rohlinge
vermeiden. Nach einer Reihe von Vorversuchen an zylindrischen Rohlingen mit einem
Durchmesser bis 70 mm gelang es auch, Blockabschnitte großer Ingots mit einem Durchmesser
von 270 mm in einem Umformschritt fehlerfrei zu Scheiben einer Höhe von 100 mm (ε =
0.6) bzw. 50 mm (ε = 0.8) zu schmieden (Abbildung 26). Das Gefüge ist wie nach dem
Strangpressen feinkörnig globular, jedoch nicht über den gesamten Querschnitt der Scheiben
homogen. Das Verfahren ist damit im Prinzip als geeignet für die Primärumformung anzusehen
und wurde in einem späteren Vorhaben (Abschnitt: 2.1.4.) auch für die Vormaterialherstellung
angewendet.
Wärmebehandlung und Endbearbeitung durch elektrochemisches Senken:
In den geschmiedeten Schaufeln wurden feine, globulare Gefüge gefunden, die insbesondere
im Blattbereich eine deutlich verbesserte Homogenität im Vergleich zum stranggepressten
Vormaterial aufwiesen (Abbildung 27).
Abb. 26: Isothermschmieden eines Rohlings aus Ingotmaterial zu einer Schmiedescheibe
mit einem Durchmesser von 570 mm (Umformgrad 80 %)

62
Abb. 27: Gefüge im Blattbereich einer geschmiedeten Schaufel im Zustand
nach dem Schmieden (a): globulares Gefüge,
nach der abschließenden Wärmebehandlung (b): lamellares Gefüge
Für den vorgesehenen Einsatz ist jedoch die Einstellung eines lamellaren Gefüges erforderlich,
da nur für diesen Gefügezustand ausreichende Kriechfestigkeit und Bruchzähigkeit erreicht
werden. Um optimale Bedingungen für die abschließende Wärmebehandlung zur Einstellung
der Gebrauchseigenschaften zu ermitteln, wurden zunächst in thermoanalytischen
Untersuchungen die Phasenumwandlungstemperaturen für die verwendete, vielkomponentige
γ-TAB-Legierung bestimmt und die mechanischen Eigenschaften an unterschiedlich geglühten
Proben charakterisiert. Nach gegenwärtigem Wissenstand wird die erreichbare Festigkeit
dabei entscheidend durch den Lamellenabstand bestimmt, der möglichst gering einzustellen
ist.
Wegen der in der γ-TAB-Legierung vorliegenden Borid-Teilchen bilden sich beim Abkühlen
nach Umwandlungsglühungen jedoch relativ grobe Lamellen, da die Boride als Keimstellen
für γ-Lamellen wirken. Mit Ölabschreckungen konnte die erreichbare Unterkühlung erhöht

63
und ein sehr kleiner mittlerer Lamellenabstand von 50 nm eingestellt werden. Auf diese Weise
ließen sich eine akzeptable Raumtemperatur-Streckgrenze von 570 MPa sowie eine Zugfestigkeit
von 740 MPa bei einer plastischen Bruchdehnung von 1.7 % erreichen. Die eingestellten
lamellaren Gefüge waren dabei über den gesamten Blatt- und Fußbereich der Schaufeln
äußerst gleichmäßig und wiesen geringe Koloniegrößen bis maximal 170 µm im Schaufelfußbereich
auf. Die in diesem Vorhaben beabsichtigte Gefügeoptimierung und –
konsolidierung ist also erreicht worden.
Für die Endbearbeitung wurden von der Fa. Leistritz AG in Nürnberg geeignete Parameter für
das elektrochemische Senken (ECM) ermittelt und dann mit diesem Verfahren eine größere
Zahl von Verdichter-Laufschaufeln hergestellt. Die Oberflächenqualität der fertigen Schaufeln
(Abbildung 28) entsprach der Rauhigkeit, die mit demselben Verfahren bei Titanlegierungen
erreicht wird.
Damit ist das Ziel des Vorhabens, eine industrielle Schmiedetechnologie für die Fertigung
von Verdichter-Laufschaufeln aus einer γ-Titanaluminid-Legierung zu entwickeln, in vollem
Umfang erreicht worden.
1.3.4.3. Perspektiven
Abb. 28: Verdichter-Laufschaufeln nach der von der Leistritz AG
durchgeführten Fertigbearbeitung durch ECM
Die in diesem Vorhaben über die gesamte Prozesskette entwickelten Verfahren mit den spezifisch
an eine γ-Titanaluminid-Legierung angepassten Prozessparametern erlaubte erstmals
eine seriennahe schmiedetechnische Herstellung von Triebwerksschaufeln aus diesem neuen
Werkstoff. Dabei muss betont werden, dass vorhandene industrielle Anlagen benutzt wurden
und die Herstelltechnik bei den Projektpartnern also tatsächlich zur Verfügung steht.
Die erreichten mechanischen Eigenschaften sind im Vergleich mit Literaturdaten für geschmiedete
Bauteile aus konventionellen γ-Titanaluminid-Legierungen als sehr gut zu be-

64
zeichnen [2]. Bestimmte Anwendungen erfordern aber sicher noch eine Erhöhung der Festigkeit
sowie insbesondere der Kriechfestigkeit und maximalen Einsatztemperatur.
Für eine kommerzielle Anwendung müssen weiterhin sowohl die Reproduzierbarkeit einzelner
Prozessschritte als auch die Wirtschaftlichkeit des gesamten Herstellprozesses noch verbessert
werden. Diese Aufgaben sind Gegenstand des in Abschnitt 2.1.4. beschriebenen Nachfolgeprojekts.
1.3.4.4. Veröffentlichungen
F. Appel, U. Lorenz, M. Oehring, R. Wagner, Offenlegungsschrift DE 197 47 257 A 1,
Deutsches Patent- und Markenamt, 1997.
Y-W. Kim, D.M. Dimiduk, in: Structural Intermetallics 1997, hrsg. v. M.V. Nathal, R.
Darolia, C.T. Liu, P.L. Martin, D.B. Miracle, R. Wagner, M. Yamaguchi (TMS, Warrendale,
PA, 1996), S. 531.
Veröffentlichungen zu den berichteten Ergebnissen:
1. M. Oehring, U. Lorenz, R. Niefanger, U. Christoph, F. Appel, R. Wagner, H. Clemens, N.
Eberhardt, in: Gamma Titanium Aluminides, hrsg. v. D.M. Dimiduk, Y-W. Kim, M.H.
Loretto (TMS, Warrendale, PA, 1999), S. 439.
2. U. Lorenz, J. Müllauer, M. Oehring, F. Appel, R. Wagner, P. Janschek, in: Werkstoffwoche
98, Band II, Symp. 2 (Werkstoffe für die Verkehrstechnik), hrsg. v. R. Stauber, C.
Liesner, R. Bütje, M. Bannasch (Wiley-VCH, Weinheim, 1999), S. 471.
3. R. Niefanger, M. Oehring, U. Lorenz, F. Appel, H.-G. Brokmeier, R. Wagner, N. Eberhardt,
H. Clemens, in: Werkstoffwoche 98, Band II, Symp. 2 (Werkstoffe für die Verkehrstechnik),
hrsg. v. R. Stauber, C. Liesner, R. Bütje, M. Bannasch (Wiley-VCH, Weinheim,
1999), S. 429.
4. M. Oehring, U. Lorenz, R. Niefanger, F. Appel, H.-G. Brokmeier, R. Wagner, H. Clemens,
N. Eberhardt, in: High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys VIII, hrsg. v. E.P.
George, M.J. Mills, M. Yamaguchi, MRS Symp. Proc. Vol. 552 (MRS, Pittsburgh, PA,
1999), S. KK5.13.1.
5. F. Appel, U. Brossmann, U. Christoph, S. Eggert, P. Janschek, U. Lorenz, J. Müllauer, M.
Oehring, J.D.H. Paul, Adv. Eng. Mater. 2, 699 (2000).

1.3.5. Gebaute TiAl Flugturbinen – Hohlschaufel
Autor: R. Gerling GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Die Partner des Verbundvorhabens waren:
65
- Metallwerk Plansee GmbH, Reutte,
- Daimler Benz AG, Ulm;
- GKSS Forschungszentrum, Geesthacht.
- MTU Aero Engines GmbH
- Unterauftragnehmer: Daimler Benz Aerospace, Dornier GmbH, Friedrichshafen, TU
Hamburg- Harburg und SLV, München
1.3.5.1 Motivation und Zielsetzungen
Die wichtigsten Ziele bei der Weiterentwicklung von Flugtriebwerken liegen in der Erhöhung
ihres Wirkungsgrades, der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit, der Reduktion des Schadstoffausstoßes
und der Verminderung der Lärmemission. Neue, leichte Hochtemperaturstrukturwerkstoffe,
wie die Titananluminide sie darstellen, können wichtige Beiträge zum Erreichen
der Ziele liefern. In der letzten Stufe der Niederdruckturbine, bei Betriebstemperaturen
um 700°C würden -TiAl-Laufschaufeln mit ihrem geringen Gewicht und der hohen Steifigkeit
einen deutlichen Vorteil gegenüber Nickelbasisschaufeln aus IN 713 bieten.
Zur Gewichtseinsparung unter Verwendung von Nickelbasislegierungen wurde eine Hohlbauweise
entwickelt, die bei einer IN 713-Hohlschaufel zu einer Masse von 620 g führt. Eine
entsprechende TiAl-Vollschaufel besitzt mit 520 g nur einen geringen Vorteil. Eine TiAl-
Hohlschaufel hingegen mit einer Masse von 310 g würde einen bedeutenden Gewichtsvorteil
bringen. Allerdings ist im Gegensatz zu den Nickelbasislegierungen eine gießtechnische Herstellung
von TiAl-Hohlschaufeln nicht möglich. Aus diesem Grunde muß eine Herstellungs-
route unter Verwendung von Halbzeugen entwickelt werden.
Ziel dieses Projektes war daher die "gebaute TiAl-Hohlschaufel". Dies beinhaltete die Entwicklung
einer Prozessroute für deren Herstellung, und die Bestimmung von Material- und
Bauteilkennwerten, die für die Herstellung und die Einschätzung einer späteren Anwendung
erforderlich sind.
1.3.5.2. Umsetzung und Ergebnisse
Das Blatt der TiAl-Hohlschaufel hat eine Länge von ca. 400 mm und eine Breite von etwa
90 mm. Da eine entsprechende hohle Struktur aus TiAl nicht über eine Gussroute hergestellt
werden kann, wurde eine Prozessroute unter Verwendung von dünnen Blechen angestrebt, die
ihrerseits wieder über eine pulvermetallurgische Route hergestellt werden sollten.
Die gesamte Prozesskette bestand aus folgenden Schritten:
1. Herstellung von TiAl-Legierungspulvern,
2. Kompaktieren der Pulver zu plattenförmigem Vormaterial,
3. Walzen von dünnen Blechen,
4. Diffusionsverschweißen von je zwei Blechen zu Blechpaketen,
5. Superplastisches Formen der Blechpakete zu der hohlen Schaufelblattstruktur
(Abbildung 29).

Abb. 29: Schematische Darstellung der Abfolge der Prozessschritte
für die Herstellung einer Hohlschaufel
66
Für die Verwirklichung dieser Prozessroute waren eine Reihe von Entwicklungen und Charakterisierungen
des Materials notwendig. Als Legierung wurde -TAB gewählt, das im Rahmen
von vorangegangenen BMBF Projekten entwickelt worden war. Wichtige Schritte zum
Erreichen des Projektzieles waren einerseits die Herstellung von relativ großen und homogenen
TiAl Blechen und andererseits die Entwicklung des superplastischen Formens und des
Diffusionsschweißens von TiAl-Blechen - beides mit Prozessparametern, die auf Industrieanlagen
für die Verarbeitung von Titanlegierungen gefahren werden konnten.
Herstellungsroute:
Für dieses Projekt wurden die -TAB-Legierungspulver durch Argon-Zerstäubung der
Schmelze in der PIGA(Plasma Melting Induction Gas Atomization)-Anlage hergestellt. Bei
der PIGA-Anlage handelt es sich um eine Pulververdüsungsanlage, deren Technik im Rahmen
eines vorangegangenen BMBF-Projektes entwickelt worden war. Die Besonderheit liegt
darin, dass bei dieser Technik die reaktive TiAl-Schmelze ausschließlich mit wassergekühltem
Kupfer als Strukturmaterial in Berührung kommt. Unter Einsatz eines Plasmabrenners
wird im Kupfertiegel ein Schmelzbad erzeugt. Durch einen induktiv-beheizten wassergekühlten
Kupfertrichter wird ein dünner Schmelzstrahl geformt und zur Verdüsung in die Mitte der
Gasdüse geleitet (Abbildung 30).

67
Abb. 30: Schematische Darstellung der PIGA Technik
(Plasma Melting Induction Gas Atomization)
Das -TAB-Legierungspulver erwies sich als sehr fein und sehr homogen sowie von hoher
Reinheit. Die Aufnahme von Sauerstoff und Stickstoff war gering, es wird ein sehr kleiner
Anteil des Verdüsungsgases Argon aufgenommen; er beläuft sich auf 0.4 g/g. Während des
Projektes wurden in mehreren Kampagnen fast 100 kg Legierungspulver hergestellt. Die
PIGA-Technik erwies sich als robust und das Pulver von gleichbleibend hoher Qualität.
Für die Herstellung von plattenförmigem Vormaterial für das Walzen wurde das Pulver in
Titan-Blechkapseln durch Heiß-Isostatisches Pressen verdichtet und das so kompaktierte Pulver
in mehreren Stichen bei hohen Temperaturen zu Blechen von ca. 1 mm Stärke gewalzt.
Ausgehend von den in vorangegangenen BMBF Projekten erarbeiteten Walzparametern wurde
die Blechherstellung in diesem Projekt weiter optimiert und die damals weltgrößten TiAl-
Bleche mit Abmessungen bis zu 850 x 350 x 1 mm 3 gewalzt (Abbildung 31).
Mit Hilfe der Prozessoptimierung konnte ebenfalls eine feine und über die gesamte Länge des
Bleches homogene Mikrostruktur erreicht werden. Die Verunreinigungen in den Blechen lagen
bei sehr niedrigen Werten (O2 550 g/g, N2 50 g/g).
Durch mikroskopische Techniken und mechanische Tests wurde das Blechmaterial umfangreich
charakterisiert. Zugversuche (Dehnrate bei 1 10 -4 s -1 ) an dem spannungsarm geglühten
Blech ergaben von Raumtemperatur bis ca. 600°C Festigkeiten zwischen 550 und 600 MPa.

68
Zu höheren Temperaturen nimmt die Festigkeit ab und erreicht bei 1000°C Werte unter 100
MPa. Die Bruchdehnung liegt zwischen Raumtemperatur und 600°C bei 1 - 3 % und nimmt
dann zu höheren Temperaturen stark zu. Sie erreicht bei 1000°C Werte um 100 %. Unterschiede
in den Festigkeiten der Bleche parallel und senkrecht zur Walzrichtung sind in Texturen
begründet, die auch nach Wärmebehandlungen der Bleche nicht vollständig verschwinden.
Abb. 31: -TiAl-Bleche nach Walzen von PM-Vorformen
Im Temperaturbereich von 950 bis 1050°C wurden zahlreiche Umformversuche mit -TAB-
Blechen durchgeführt. Zur Vermeidung von Porenbildung, die möglicherweise auf das verbliebene
Ar-Gas zurück geführt werden kann, sollten die Dehnungen bestimmte Grenzwerte
nicht überschreiten. Auf diesem Wege konnten die Prozessparameter eingegrenzt werden, mit
denen sich später die hohle Schaufelstruktur superplastisch auf konventionellen Industrieanlagen
formen ließ.
Um die gebogene und hohle Struktur des Schaufelblattes herstellen zu können, ist ein Blech
mit einem Gefüge erforderlich, das bei möglichst niedrigen Temperaturen gut verformbar ist.
Das ist weitgehend für das spannungsarm geglühte Blech gegeben. Solche Gefüge sind allerdings
nicht kriechbeständig und für die spätere Anwendung nicht geeignet. Aus diesem Grunde
sind Wärmebehandlungen zur Einstellung eines lamellaren, kriechbeständigeren Gefüges
durchgeführt und die mechanischen Eigenschaften bestimmt worden. Kriechversuche bei
700°C mit einer Spannung von 150 MPa belegten die Überlegenheit des lamellaren Gefüges.
Im Gegensatz zum feinkörnigen Gefüge des spannungsarm geglühten Bleches zeigt die lamellare
Mikrostruktur nur noch eine geringe Anisotropie des Kriechens parallel und senkrecht zur
Walzrichtung.
Ein weiteres wichtiges Kriterium für die Anwendung ist die Ermüdungsfestigkeit des Materials.
Zu ihrer Bestimmung wurden Niederfrequenz- (3 Hz) und Hochfrequenz- (50 Hz)
Schwingversuche im Zugschwellbereich (R= 0.2) bei Raumtemperatur und 700°C durchge-

69
führt. Um einen Eindruck von der Schwingfestigkeit einer hohlen Schaufel zu gewinnen,
wurden Proben gefertigt, superplastisch verformt und danach zur Einstellung des lamellaren
Gefüges wärmebehandelt. Solche Proben zeigten bei 700°C eine Schwingfestigkeit (50 Hz)
von etwa 350 MPa, was der des lamellaren Materials ohne zusätzliche Verformung entspricht.
Die superplastische Formgebung ließ daher keinen Nachteil für die Schwingfestigkeit der
Schaufel erwarten.
Für die Herstellung einer kompletten Hohlschaufel muß das Fügen von TiAl beherrscht werden.
Aus diesem Grunde sind mehrere Fügeverfahren wie Reibschweißen, Laserschweißen
und Diffusionsschweißen untersucht worden. Für die Verbindung zweier Bleche zu Blechpaketen
wurde das Diffusionsschweißen ausgewählt. Die besondere Herausforderung für die zu
erarbeitenden Prozessparameter lag darin, dass möglichst niedrige Temperaturen und geringe
Drücke zur Herstellung haltbarer Verbindungen zwischen spannungsarm geglühten Blechen
angewendet werden sollten. Mit einer besonderen Oberflächenbehandlung vor dem Diffusionsschweißen
konnten Scherfestigkeiten von 350 MPa nach dem Fügen bei 1000°C und
10 MPa erzielt werden.
Um die spätere Hohlschaufel zu simulieren, wurden Fügeverbindungen zur Einstellung des
kriechbeständigen lamellaren Gefüges wärmebehandelt. Dabei zeigte sich, dass sich die Diffusionschweißungen
weiter verbesserten und die Scherfestigkeiten auf 400 MPa anstiegen.
Inspektionen nach Schertests zeigten stets Versagen im Grundmaterial außerhalb der Diffusionsschweißung.
Erfahrungen und Ergebnisse:
Auf der Basis der erarbeiteten Prozessparameter und der gemessenen Materialeigenschaften
konnte die Hohlschaufel für die Betriebsbedingungen ausgelegt und konstruiert werden. Die
Konstruktionsdaten wiederum fanden Eingang in die Auslegung der Werkzeuge für das Diffusionsschweißen
und das superplastische Formen der hohlen Struktur.
Die Abstimmung der einzelnen Prozessschritte für das Diffusionsschweißen und das superplastische
Formen und der damit verbundene Werkzeugtest geschahen unter Verwendung von
Titanblechen. Erst nachdem erfolgreich hohle Schaufelblätter aus Titanblech hergestellt worden
waren, kam das -TAB-Blech zum Einsatz. Die Herstellung eines hohlen Schaufelblattes
durch Diffusionsverschweißen und superplastisches Formen von -TAB-Blechen konnte erfolgreich
demonstriert werden ( Abbildung 32).
Schwingungsmechanische Tests bei Raumtemperatur und ca. 680°C wurden mit Hohlschaufelprofilen,
hergestellt aus TiAl Blechen mittels SPF/DB, durchgeführt. Dabei wird das Hohlprofil
zu Eigenschwingungen angeregt und die Amplitude der Eigenschwingung stufenweise
erhöht bis ein Schwingungsbruch entsteht. Durch diese Versuche wurde nachgewiesen, dass
ein Hohlschaufelprofil, hergestellt aus TiAl Blechen mittels SPF/DB, eine um etwa 30 % höhere
Resonanzfrequenz und um 45 % höhere Dauerermüdungsfestigkeit im Vergleich zu feingegossenem
TiAl mit vollem Schaufelprofil aufweist.

70
Abb. 32: Hohles Flugturbinenschaufelblatt, hergestellt durch Diffusionsschweißen und
superplastisches Formen von -TiAl-Blechen
1.3.5.3. Perspektiven
Über eine pulvermetallurgische Prozessroute können kostengünstig -TiAl-Bleche mit sehr
guten Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Duktilität und Ermüdungsfestigkeit hergestellt
werden. Mit einer Wärmebehandlung zur Einstellung eines lamellaren Gefüges lässt sich die
Kriechbeständigkeit erheblich verbessern, sie bleibt jedoch unterhalb der von gröberen Gussgefügen.
Mit einer angepassten Oberflächenbehandlung können Bleche bei relativ niedrigen Drücken
und Temperaturen auf konventionellen Anlagen zu Verbindungen mit hohen Scherfestigkeiten
diffusionsverschweißt werden.
Hohle Schaufelblätter sind auf konventionellen Anlagen durch superplastisches Formen herstellbar.
Dabei sollten die Zugdehnungen möglichst niedrig gehalten werden, um einer Porenbildung
zu begegnen.
Im Hinblick auf eine industrielle Anwendung müssten die Prozessschritte Diffusionsschweißen
und superplastisches Formen im Hinblick auf Kosteneinsparungen optimiert werden.
Insgesamt wurde mit diesem Projekt gezeigt, dass aus TiAl-Blechen komplexe dreidimensionale
Strukturen mit guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können.

1.3.5.4. Veröffentlichungen
71
Die drei wichtigsten Veröffentlichungen aus diesem Projekt:
H. Kestler, H. Clemens, H. Baur, R. Joos, R. Gerling, G. Cam, A. Bartels, W.
Smarsly, Characterisation of -TiAl Sheet Material for Aeroengine Application. In:
Gamma Titanium Aluminides 1999, eds. Kim Y. W., Dimiduk D. M., Loretto M. H.,
TMS Warrendale, Pennsylvania, USA 1999, 423-430.
Bartels, Ch. Hartig, St. Willems, H. Uhlenhut, Influence of the Deformation Conditions
on the Texture Evolution in -TiAl, Mater. Sci. Eng. A 239-240 (1997), 14-22.
G. Cam, H. Clemens, R. Gerling, M. Kocak, Diffusion Bonding of Superplastic -TiAl
Sheets, Intermetallics 7 (1999) 1025-1031.
1.3.6. Schweißen von Titanaluminiden
Autorin: H. Cramer, Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt SLV München,
Niederlassung der GSI mbH
Die SLV München beschäftigt sich seit 1993 mit dem Schweißen von intermetallischen
Werkstoffen und hat im Rahmen verschiedener geförderter Projekte umfangreiche Erfahrungen
gesammelt und beachtliche Ergebnisse erzielt /1-3/.
Grundlegende Untersuchungen zur Schweißeignung wurden bereits im Verbundprojekt „Entwicklung
des Reib- und Laserstrahlschweißens zum Fügen von Titan- und Nickelaluminiden“
durchgeführt, das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie
gefördert wurde. Verbundpartner waren die Daimler-Benz Aerospace MTU München und
die GfE Gesellschaft für Elektrometallurgie Nürnberg mbH (fachlich wurde das Projekt vom
Projektträger PTJ-NMT in Jülich betreut).
Im BMBF-Verbundvorhaben „Auslegung, Bau und Erprobung von -TiAl-Hohlschaufeln“
(03N3034) erfolgte die Weiterentwicklung des Laserstrahl- und Linearreibschweißens zum
Verbinden der intermetallischen Werkstoffe. In dieses MaTech-Verbundprojekt waren neben
der Daimler-Benz Aerospace MTU München die Plansee AG Reutte, das GKSS Forschungszentrum
Geesthacht, Daimler Benz Ulm, die TU Hamburg-Harburg und Daimler-Benz Dornier
Friedrichshafen involviert.
1.3.6.1. Motivation und Zielstellung
Intermetallische Phasen auf der Basis der Titanaluminide werden als eine Alternative zu den
schweren Nickelbasis-Superlegierungen und den leichten, aber spröderen Keramiken entwickelt.
Mit den Titanaluminiden stehen dem Konstrukteur Werkstoffe auf der Basis intermetallischer
Phasen zur Verfügung, die erhebliche Gewichtsreduzierungen und Einsatztemperaturen
bis 700 °C ermöglichen. In der Automobil- sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie
sind die Intermetallics vielversprechende Strukturmaterialien für Hochtempera-

72
turanwendungen /4/. Für die Herstellung von TiAl-Bauteilen wie Ventile, Turboladerräder,
Turbinenschaufeln, Verdichtergehäuse und Dichtungen u.a. sind feingusstechnische, umformtechnische
und pulvermetallurgische Verfahren entwickelt worden. Prototypen dieser
Bauteile sind durch gerichtete Erstarrung und durch Pulverformspritzen im Labor hergestellt
worden.
Um diese innovativen Werkstoffe beanspruchungsgerecht und wirtschaftlich einsetzen aber
auch im Schadensfall instandsetzen zu können, ist es notwendig, die bisher zum Fügen eingesetzten
Verfahren wie Diffusionsschweißen und Hochtemperaturvakuumlöten durch wirtschaftlichere
Fügeverfahren zu ergänzen /5-6/. Als Schweißtechnologien für Bauteile kommen
grundsätzlich auch Schweißverfahren wie das EB-Schweißen, das Laserstrahlschweißen,
das WIG-Schweißen sowie das Reibschweißen in Frage.
Im folgenden werden Untersuchungsergebnisse zum Rotations- und Linearreibschweißen
sowie Laserstrahlschweißen von Titanaluminiden vorgestellt und bewertet. Untersucht wurden
die intermetallischen Feingusswerkstoffe (at%) Ti48Al1,5Cr, Ti48Al2Cr2Nb und ein
Blechwerkstoff Ti46,5Al4 (Cr, Nb, Ta, B).
1.3.6.2. Umsetzung und Ergebnisse
Rotationsreibschweißen:
Untersuchungen zur Schweißeignung dieser innovativen Werkstoffgruppe zeigen, dass das
Reibschweißen ein geeignetes Fügeverfahren ist. Hochbelastete Bauteile können kostengünstig
und wirtschaftlich hergestellt werden.
Aufgrund des spröderen Werkstoffverhaltens der Titanaluminide gegenüber konventionellen
Werkstoffen wie Stahl und Aluminium werden an die Parametereinstellung beim Reibschweißen
intermetallischer Werkstoffe höhere Anforderungen gestellt. Insbesondere die Anreibphase
ist sehr problematisch. Negativ wirken sich ein zu steiler Reibdruckanstieg und die
teilweise noch mangelhafte Qualität des Probenmaterials aus. Spannungsspitzen, bedingt
durch Grate an den Fügeflächen oder nicht plan geschliffene Proben, müssen vermieden werden.
Die Belastungsgrenze dieser spröden intermetallischen Werkstoffe wird schnell erreicht.
Es kommt zu Ausbrüchen und Rissen an der Fügeebene, die in der Folge zur vollständigen
Zerstörung führen können. Voraussetzung für die Eignung von intermetallischen Werkstoffen
zum Reibschweißen ist deshalb eine Reibschweißmaschine mit einem variablen Kraftaufbau.
Es hat sich herausgestellt, dass eine feinstufige Kraftaufbringung wichtige Voraussetzung zur
erfolgreichen Durchführung von Reibschweißungen an diesen wenig verformungsfähigen
Werkstoffen ist.
Problematisch beim Reibschweißen der intermetallischen Werkstoffe ist die erhöhte Rißbildungsneigung
während der Abkühlung aufgrund der äußerst geringen Verformungsfähigkeit.
Die während der Abkühlung entstehenden Spannungen können nur in einem geringen Maße
durch eine Zwillingsbildung in Bereichen großer plastischer Verformungen abgebaut werden.
Eine Folge davon ist die verstärkte Anrißbildung im Verlauf der Abkühlung in dem sich während
des Reibschweißprozesses ausbildenden Wulst. Nach erfolgter Anrißbildung im Wulst
können sich die Risse bis in die Fügeebene ausbreiten. Dieses sensible Werkstoffverhalten
muß bei der Parametereinstellung und -optimierung berücksichtigt werden. Beispielsweise

73
sollen zu starke Temperaturgradienten, bedingt durch hohe Abkühlgeschwindigkeiten, vermieden
werden.
Für die Reibschweißversuche steht in der SLV München die Maschine RS4E der Firma
KUKA Schweißanlagen GmbH zur Verfügung (Abbildung 33). Die Drehzahl ist stufenlos
zwischen 1500 und 6000 U/min regelbar. Die maximale Axialkraft beträgt dabei 40 kN.
Abb.
33: Reibschweißmaschine KUKA RS4E
Elektro-mechanischer Vorschub, Anpreßkraft max. 40 kN
Zeit- oder Wegsteuerung, Drehzahl 1500 - 6000 1/min
Meßdatenerfassung über Controller und externes Speicheroszilloskop
Titanaluminide können rißfrei rotationsreibgeschweißt werden. Das Gefüge in der Reibschweißzone
ist poren- und rißfrei sowie sehr feinkörnig. Abbildung 34 zeigt eine reibgeschweißte
Probe aus feingegossenem TiAl und einen Querschnitt über die Fügeebene.
Der intermetallische Grundwerkstoff wird während des Reibschweißprozesses stark verändert.
Das Reibschweißen wandelt das Feingussgefüge um, d.h. durch die Stauchumformung
bei hohen Temperaturen ( 1.300 °C) und die hohe Umformgeschwindigkeit wird das Gefüge
in -Titan umgewandelt, verformt und rasch abgekühlt. In der Fügezone zeigt sich dieser Effekt
deutlich. Es bildet sich ein außerordentlich feinlamellares, rekristallisiertes 2 + - Umwandlungsgefüge.
Durch die Variation der Reibschweißparameter lässt sich die Form des Umwandlungsbereiches
verändern. Mit zunehmenden Reib- und Stauchdrücken sowie längeren Reibzeiten oder

74
durch die Verringerung der Drehzahl wird die sich anfänglich bildende Linse zunächst breiter
und geht allmählich in ein Band über.
Reibgeschweißtes TiAl-Probenmaterial wurde hinsichtlich Streckgrenze, Duktilität, Kriech-
und Ermüdungsfestigkeit bei Anwendungstemperaturen bis zu 700 °C untersucht.
Ein Festigkeitsverlust der Reibschweißverbindung aus Ti48Al1,5Cr gegenüber dem Grundwerkstoff
konnte nicht festgestellt werden. Die Zugfestigkeit der spannungsarmgeglühten
Reibschweißverbindungen aus Ti48Al1,5Cr bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen
(700 °C) liegt im Streubereich der Kennwerte des Grundwerkstoffes (Rm (RT) = 456 MPa,
Rm (700 °C) = 432 MPa).
Übersicht Fügeebene
Abb. 34: Reibschweißverbindung aus TiAl
Signifikante Unterschiede zwischen ungeschweißtem und geschweißtem Material bestehen
hinsichtlich der Dehnung. Der reibgeschweißte intermetallische Werkstoff zeigt sich insbesondere
bei Raumtemperatur wesentlich spröder als der gegossene und anschließend geHIPte
Grundwerkstoff. Während die Bruchdehnung der reibgeschweißten Zustände im Mittel bei
1 % liegt, beträgt die Bruchdehnung des Grundwerkstoffs 1,6 %. Bei 700 °C erreichen die
reibgeschweißten Zustände im Mittel 2,1 % und der Grundwerkstoff 3 %. Der Duktilitätsverlust
ist vermutlich auf die Einschnürbehinderung der Schweißnaht und auf die trotz der Spannungsarmglühung
verbleibenden Spannungen zurückzuführen.
Es zeigt sich, dass zwischen der Kriechdehnung reibgeschweißter Proben (K = 0,10 %) und
des Grundwerkstoffes (K = 0,11 %) keine Unterschiede bestehen (Kriechversuch bei 700 °C,
= 150 MPa, t 1000 h, Luft). Die Zugschwellversuche (R = 0, max
= 300 MPa, 1 Hz) wurden
bei Raumtemperatur und bei 700 °C durchgeführt. Alle Prüfproben, sowohl die ungeschweißten
als auch die geschweißten, erreichen die geforderte Zyklenzahl von 10 5 Lastwech-

75
seln, ohne zu brechen. Diese Ergebnisse unterstreichen die hohe Ermüdungsfestigkeit des
Materials.
Die Härte des gegossenen und anschließend geHIPten intermetallischen Werkstoffes beträgt
ca. 250 HV 1. In der Wärmeeinflusszone steigt die Härte kontinuierlich an und erreicht im
Umwandlungsband den Höchstwert von 350 - 450 HV 1. Der Höchstwert ist abhängig von
den Schweißparametern. Wird durch die Reibschweißparameter (n, pR, pSt, tR, BVZ, nSt) und
die Randbedingungen (Einspannlängen, Rauhigkeit der Oberflächen) der Wärmeeintrag erhöht,
verringert sich die Aufhärtung im Ti48Al1,5Cr aufgrund geringerer Abkühlgeschwindigkeiten.
Hohe Stauchdrücke oder ein Stauchen in die rotierende Spindel führen zu einer
hohen Verdichtung des Gefüges im Fügebereich. Als Folge können erhebliche Aufhärtungen
bis 450 HV1 auftreten.
Aber auch Werkstoffkombinationen mit Titanlegierungen und konventionellen hochwarmfesten
Stählen sind möglich (Abbildung 35).
Werden Titanaluminide mit der Titanlegierung Ti IMI 834 reibgeschweißt, finden vergleichbare
Veränderungen hinsichtlich des Gefüges und der Aufhärtung statt.
Da der intermetallische Fügepartner Ti48Al1,5Cr aufgrund seines komplizierten Gitteraufbaus
gegenüber der Near--Titanlegierung Ti IMI 834 weniger verformungsfähig ist,
sind die durch den Reibschweißprozess hervorgerufenen Verdichtungs- und Feinkornbereiche
auf der Seite des Ti48Al1,5Cr deutlich kleiner. Die Wulstbildung erfolgt durch die Titanlegierung,
der intermetallische Werkstoff wird dagegen nur aufgestaucht.
Übersicht Fügeebene
Abb. 35: Reibschweißverbindung aus TiAl und Ti IMI 834
Reibschweißverbindungen der Werkstoffkombination Ti48Al1,5Cr/Ti IMI 834 besitzen eine
hohe Festigkeit. Die Zugproben brechen in einem Abstand von ca. 10 mm von der Fügeebene
in der intermetallischen Phase Ti48Al1,5Cr. Die Ergebnisse entsprechen den durchschnittli-

76
chen Werten für den intermetallischen Grundwerkstoff Ti48Al1,5Cr, sowohl bei Raumtemperatur
als auch bei 500 °C. Wegen der wesentlich größeren Duktilität des Ti IMI 834 im
geprüften Temperaturbereich findet das Bauteilversagen immer in der spröderen intermetallischen
Phase statt. Die Bruchdehnung der Reibschweißverbindung liegt mit 0,7 % bei Raumtemperatur
(1,7 % bei 500 °C) wesentlich niedriger als die Dehnungswerte des intermetallischen
Grundwerkstoffes mit 1,6 (3 % bei 700 °C). Ursache für das noch sprödere Verhalten
sind die Einschnürbehinderung im Fügebereich und die zunehmenden Eigenspannungen im
Bereich der Wärmeeinflusszonen.
Abbildung 36 zeigt zusammenfassend eine Übersicht über die Festigkeit des ungeschweißten
Werkstoffes (100 %) und die jeweilige Festigkeitssteigerung- oder Verminderung durch das
Fügen in % bezogen auf die Festigkeit des ungeschweißten Werkstoffes.
%
160
140
120
100
80
60
40
20
0
ungeschweißt reibgeschweißt
reibgeschweißt mit Ti IMI 834 laserstrahlgeschweißt
Streckgrenze Duktilität Kriechfestigkeit Ermüdungsfestigkeit
Abb. 36: Relevante Eigenschaften reib- und laserstrahlgeschweißter sowie geglühter
Verbindungen aus TiAl artgleich bei 700 °C und in Werkstoffkombination
mit Ti IMI 834 bei 500°C
Werkstoffkombinationen von TiAl-Legierungen und Ventilstählen können ebenfalls rissfrei
reibgeschweißt werden. In Abbildung 37 ist ein reibgeschweißtes Ventil dargestellt. Beim
Reibschweißen von Werkstoffkombinationen mit Stahl bilden sich während des Reibschweißprozesses
aufgrund von Diffusionsvorgängen zwischen Stahl und TiAl spröde intermetallische
Phasen wie TiFe und TiFe2 in der Fügeebene, die sich aufgrund ihrer geringen
Verformungsfähigkeit negativ auf die Verbindungsfestigkeit auswirken können.

Abb. 37: Reibgeschweißtes Ventil
Werkstoffkombination: Ventilteller aus TiAl, Ventilschaft aus X45CrSi9-3
77
Voraussetzung zur Erzeugung rissfreier Reibschweißverbindungen zwischen Stahl und TiAl
ist deshalb die Minimierung von Diffusionsvorgängen zur Reduzierung dieser Sprödschichten
über die Variation der Reibschweißparameter (u.a. Reibzeitminimierung).
Eine sehr interssante Applikationsmöglichkeit für TiAl ist der Werkstoffeinsatz zur Herstellung
von Turboladern (Abbildung 38).
Abb. 38: Reibgeschweißtes Turboladerrad
Werkstoffkombination: Schaufelrad aus TiAl, Schaft aus Stahl
Linearreibschweißen:
Grundlagenuntersuchungen zum Linearreibschweißen von -TAB-TiAl haben bisher keine
zufriedenstellenden Ergebnisse erbracht. Rißfreie Verbindungen können zum derzeitigen
Entwicklungsstand noch nicht erzeugt werden. Bereits während der Reibphase kommt es trotz
stufenförmigen Kraftanstiegs zum Einreißen des intermetallischen Werkstoffs im Fügebereich
sowohl beim T-Stoß als auch beim I-Stoß. Optimierungen des Kraftanstiegs, der Parameter
und der Verbesserung der Spanneinrichtungen können sich positiv auswirken (Abbildung 39).

78
Abb. 39: Linearreibgeschweißte Probe aus TiAl
Laserstrahlschweißen:
Intermetallische Phasen auf der Basis von TiAl weisen eine sehr hohe Rissanfälligkeit beim
Laserstrahlschweißen auf, wenn die Fügetemperaturen unterhalb des spröd-duktil-Übergangs
liegen. Die sich aufgrund des steilen Temperaturgradienten während der Abkühlung ausbildenden
Spannungen im Werkstoffverbund können lediglich bis zum spröd-duktil-Übergang
bei ca. 600 °C über plastische Verformungen, hauptsächlich Zwillingsbildung, abgebaut werden.
Unterhalb dieses kritischen Temperaturbereiches ist der Werkstoff dazu nur in einem
geringen Maße in der Lage. Zur Erzeugung rissfreier Verbindungen ist es deshalb erforderlich,
die Fügepartner auf Temperaturen im Bereich des spröd-duktil-Übergangs zu erwärmen.
Die Untersuchungen zum Laserstrahlschweißen erfolgen auf einer Laseranlage des Typs TLF
1750 der Firma Trumpf. Es handelt sich um einen hochfrequenzangeregten, axial schnell geströmten
CO2-Laser mit einer Nennleistung von PL = 1750 W (Abbildung 40).
Wesentlichen Einfluss auf die Nahtgüte der Laserstrahlschweißverbindung besitzen die Arbeitstemperatur,
d.h. die Temperatur, auf die Fügepartner beim Schweißen erwärmt werden
und die Schweißgeschwindigkeit. Die Arbeitstemperatur beeinflusst die Rissbildung, das Oxidationsverhalten,
die Gefügeausbildung und die Porenbildung in den Laserstrahlschweißnähten.
Der intermetallische Werkstoff Ti46,5Al4(Cr, Nb, Ta, B) kann bei Arbeitstemperaturen
TArbeit 550 °C reproduzierbar rissfrei mit hoher Nahtgüte mit dem Laserstrahl gefügt werden
(Abbildung 41).
Die schlanken Laserstrahlschweißnähte weisen kaum Naht- und Wurzelüberhöhung auf. Auch
Kerben sind kaum vorhanden. Lediglich vereinzelte Mikroporen (< 0,1 mm) können an der
Schmelzlinie nachgewiesen werden. Aufgrund der vergleichsweise hohen Abkühlgeschwindigkeit
ist die Gefügestruktur sehr feinkörnig. Dendriten sind kaum zu erkennen. Die
Schmelzzonen bestehen aus einem homogenen Gussgefüge, aufgebaut aus den beiden intermetallischen
Phasen 2 (Ti3Al) und (TiAl). Die Kristallstruktur ist bei tiefen Arbeitstemperaturen
feiner ausgebildet. An die Schweißnaht schließt sich die wärmebeeinflusste Zone des

79
Grundwerkstoffes an. In diesem Bereich sind verstärkt Zwillinge zu finden, die durch
Schrumpfspannungen während der Abkühlung verursacht werden. Es zeigt sich, dass mit steigender
Arbeitstemperatur die Oxidation der Schweißnähte deutlich zunimmt. Gleichzeitig
dazu steigt die Porosität und der maximale Porendurchmesser innerhalb der Naht. Die sich bei
einer Arbeitstemperatur von TArbeit 750 °C ausbildenden Oxidschichten sind porös und rissbehaftet.
Sie wirken sich daher besonders negativ bei Beanspruchung aus.
Abb.
40: Trumpf CO2 – Laser und Bearbeitungseinheit
PL eff. = 1600 W, f´ = 150 mm, Fokusdurchmesser ca. 0,2 mm
Dauerstrichbetrieb (cw) und Pulsbetrieb (pm), Ringmod TEM01
Durch die Variation der Schweißgeschwindigkeit wird die Nahtform, die Nahtgeometrie sowie
das Nahtgefüge beeinflusst. Bei niedrigen Schweißgeschwindigkeiten (z.B.: s =1,2 mm,
vS 4 m/min) entstehen infolge der geringeren Abkühlgeschwindigkeiten im Querschnitt Xförmige
Schweißnähte, die im Vergleich zu den typischen schmalen Laserstrahlschweißnähten
aufgrund der ungünstigeren Spannungsverteilung und der größeren Schrumpfung
nachteilig sind. Die Erstarrungsrichtung und der Kristallstoß bilden sich stärker heraus.
Mit steigender Schweißgeschwindigkeit werden die Schweißnähte zunehmend schlanker, das
Gefüge feiner. Hohe Nahtgüten werden bei Schweißgeschwindigkeiten zwischen 4 und
5 m/min mit Schweißtemperaturen zwischen 600 und 650 °C erreicht (Abbildung 41).
Laserstrahlgeschweißtes TiAl-Probenmaterial wurde hinsichtlich Streckgrenze, Duktilität,
Kriech- und Ermüdungsfestigkeit bei Anwendungstemperaturen bis zu 700 °C untersucht. Die
Festigkeit des ungeschweißten Werkstoffes (100 %) und die jeweilige Festigkeitssteigerung-
oder Verminderung durch das Fügen in % bezogen auf die Festigkeit des ungeschweißten
Werkstoffes zeigt Abbildung 36.

Härte [HV1]
550
500
450
400
350
300
250
200
s = 1,2 mm
geätzt mit Titan I
80
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2
Abstand von der Schweißnahtmitte [mm]
Abb. 41: Übersicht und Härteverlauf über die Fügeebene der Laserstrahlschweißver-
bindung aus Ti46,5Al4(Cr, Nb, Ta, B), vS = 5 m/min, TArbeit = 600 °C,
Meßstelle: Probenzentrum
Die relative Verminderung der Streckgrenze, Duktilität und Ermüdungsfestigkeit durch das
Laserstrahlschweißen von TiAl-Blechen beträgt ca. 10 - 20 % gegenüber dem ungeschweißten
Zustand. Die im Zugversuch beanspruchten Laserstrahlschweißverbindungen brechen in
der Wärmeeinflusszone und in der Schweißnaht. Es werden Zugfestigkeiten von 338 bis
397 MPa ermittelt. Die Werte liegen im Streubereich des Grundwerkstoffes (Rm = 343 MPa).
1.3.6.3. Perspektiven
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass das Reib- und Laserstrahlschweißen für das
Fügen von Titanaluminiden anwendbar ist. Die Festigkeit und Qualität der Schweißverbindung
ist für die vorgesehenen Anwendungen ausreichend. Die Zugfestigkeit und Streckgrenze

81
reibgeschweißter und anschließend geglühter Verbindungen liegt im Streubereich des intermetallischen
Grundwerkstoffes. Die relative Verminderung der Duktilität und Ermüdungsfestigkeit
durch das Rotationsreibschweißen von feingegossenen TiAl-Rundstäben und laserstrahlgeschweißten
TiAl-Blechen beträgt ca. 10 – 33 % gegenüber dem ungeschweißten Zustand.
Die Kriechfestigkeit wird durch das Rotationsreibschweißen um 20 % relativ zu der des
Grundwerkstoffes erhöht. Titanaluminide sollen im Motoren- und Turbinenbau eingesetzt
werden. Hinsichtlich der Fügetechnik stehen Verbindungen zwischen Ventilschaft und -teller
sowie die Reparatur von Turbinengehäusen und Turbinenschaufeldeckbändern im Vordergrund.
Werkstoffkombinationen von Titanaluminiden mit konventionellen hochwarmfesten Titanlegierungen
und Stählen sind ebenfalls mit einer hohen Festigkeit herstellbar. Damit eröffnen
sich interessante Applikationen in der Luft- und Raumfahrtindustrie und im Automobilbau.
Die SLV München verfügt über langjährige Erfahrungen auf dem Gebiet des Reibschweißens
nicht nur für Titanaluminide durch ihre eigene Entwicklungstätigkeit, sondern auch durch ihre
Zusammenarbeit mit Maschinenherstellern und Lohnbetrieben. Die Anwendungsentwicklungen
des Reibschweißprozesses für Titanaluminide artgleich und in Werkstoffkombination mit
Stahl durch die SLV München hilft bei der schnellen und wirtschaftlichen Einführung fortschrittlicher
Produkte. Die positiven Ergebnisse der Grundlagenuntersuchungen und die zunehmende
Erfahrung im Umgang mit diesen Werkstoffen haben dazu geführt, dass verschiedene
Industriefirmen sich mit dieser Thematik beschäftigen. Hier sind die Marktchancen vielversprechend.
1.3.6.4. Veröffentlichungen
1. N. N.: Entwicklung des Reib- und Laserstrahlschweißens zum Fügen von Titan- und Nickelaluminiden.
Abschlußbericht Nr. 07 3/685/62/56/93/19/ 94/13/95/96 der SLV München
GmbH zum öffentl. geförd. Forschungsvorhabens im Rahmen des Förderprogrammes
„Neue Werkstoffe in Bayern“.
2. H. Cramer, A. W. E. Nentwig: Reibschweißen von Titanaluminiden, Innomata`96, Dresden
(1996).
3. H. Cramer, A. W. E. Nentwig, W. G. Smarsly: Reib- und Laserstrahlschweißen zum Fügen
von Titanaluminiden im Triebwerksbau, Große Schweißtechnische Tagung`98, Hamburg
(1998).
4. Smarsly, W.: Singheiser, L.: Intermetallische Phasen-Werkstoffe für zukünftige Gasturbinen,
VDI Berichte 1151 (1995).
5. Horn, H.: Reibschweißen von Sonderwerkstoffen, DVS-Berichte, 162 (1994).
6. Patterson, R.A.: Damkroger, B.K.: Weldability of Gamma Titanium Aluminide, Proc.
Symp. On Welability of Materials, Detroit (1990).

82
2. TiAl-Bauteile an der Schwelle zum Einsatz
2.1. Förderzeitraum 1999 bis 2003:
Mit dem im letzten Abschnitt 1.3.3. beschriebenen Vorhaben „Permanentkokillenguß-Prozeß
für TiAl-Ventile“ förderte das BMBF ein Projekt mit einem besonders hohen Innovationsgehalt
und abzusehenden positiven Auswirkungen auf die Automobilbranche nicht nur in
Deutschland. Es zeichnete sich ab, dass sich durch die TiAl-Ventile neue Möglichkeiten für
zukünftige Motorgenerationen im Hinblick auf eine nachhaltige Ressourcenschonung durch
kompaktere und leistungsfähigere Aggregate (z.B. elektromagnetische Einzelansteuerung von
Ventilen) erschließen würden. Auch auf internationaler Ebene fanden die erreichten Ergebnisse
starke Beachtung, z.B. wurde das Projekt mit dem Toyota-Preis 1997 geehrt. Mit diesem
MaTech-Projekt wurde ein weltweiter Vorsprung bei der Entwicklung eines Herstellungsverfahrens
für die wirtschaftliche Massenherstellung von Automobilventilen aus Titanaluminid-
Legierungen erzielt.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen kann dieser erreichte technologische Vorsprung nur durch
eine zu errichtende Pilotanlage in Deutschland gehalten werden. Da aufgrund dieses Innovationspotenzials
die leichten TiAl-Ventile dem Massenmarkt Automobilindustrie am Standort
Deutschland zu gängig gemacht werden müssen (jeder Automobilhersteller arbeitet an neuen
Motorkonzepten, wobei nur leichte Ventile zum Einsatz kommen können), wurde im Juli
1999 ein neues Projekt begonnen, in dessen Mittelpunkt der Entwurf, die Entwicklung, der
Bau und der Betrieb einer Pilotgießanlage stehen. Dieser nächste Schritt war für alle Beteiligten
von großer Bedeutung, da nur auf dieser Basis Investitionsentscheidungen für den späteren
Bau einer Produktionsanlage getroffen werden können.
Nach Aussagen der am Verbund Beteiligten und der von NMT befragten Automobilhersteller
ist der erreichte Vorsprung nur durch eine möglichst umgehend zu errichtende Pilotanlage in
Deutschland zu nutzen und nur so kann die Basis für eine spätere Produktion in Deutschland
gelegt werden. Nur mit Hilfe einer Pilotanlage lässt sich die Skalierbarkeit der Gießanlage auf
industrielle Größe feststellen, die Legierung in Abhängigkeit von der Fertigung optimieren
und der Preis der Ventile bei einer späteren Herstellung abschätzen. Sie ist damit Voraussetzung
für nachfolgende Investitionsentscheidungen.
Mit der Realisierung dieses neuen Verbundvorhabens (siehe Tabelle 5) soll ein neuer Herstellungsweg
in Deutschland aufgezeigt und die leichten Ventile der deutschen Automobilindustrie
für zukünftige Motorgenerationen verfügbar gemacht werden. Die Automobilindustrie
unterstützt nachhaltig den Bau dieser Anlage am Standort der RWTH Aachen im Forschungszentrum
ACCESS, da es ein erfolgversprechender Weg ist, das in den TiAl-Projekten erarbeitete
Know-how mittelfristig in Deutschland in Produkte umzusetzen. Außerdem ist es gelungen,
Ford, Opel, VW, BMW und Audi mit einem abgestimmten Arbeitsplan in dieses Vorhaben
einzubinden. Diese Firmen bringen, ohne öffentliche Förderung, Leistungen in Höhe von
0,8 Mio. € für Bauteiltests in Motorprüfständen ein. Außerdem sollen die Automobilfirmen
eine beratende Funktion bzgl. der Definition des Pflichtenheftes und den Vorgaben zur Qualitätssicherung
ausüben. Nur so kann der endgültige Einsatz von TiAl-Ventilen in zukünftigen
Motorgenerationen beurteilt und eine Akzeptanz durch die Automobilindustrie erreicht werden.
Die Projektarbeiten der Firmen werden durch ACCESS koordiniert. Der gegenwärtige
Stand dieses MaTech-Entwicklungsvorhabens wird nachfolgend im Abschnitt 2.1.3. beschrieben.

Tabelle 5: Förderzeitraum 1999 bis 2003:
Optimierung der Herstellverfahren für feingegossene Ventile und
geschmiedete Turbinenschaufeln
Förderkennzeichen
01SF9826
(Förderanteil
des BMBF:
1.002 T €)
01SF9825
(Förderanteil
des BMBF:
1.003 T €)
03N3071
(Förderanteil
des BMBF:
2.735 T €)
03N3030
(Förderanteil
des BMBF:
1.473 T €)
Projekte
Innovative Werkstoffsysteme
zur Wirkungsgradsteigerung
von stationären
Gasturbinen und Flugtriebwerken
(Teilprojekt:
Titanaluminide)
(Laufzeit:
01.01.1999 – 31.12.2001)
- „ -
(Laufzeit:
01.01.1999 – 30.06.2001)
Optimiertes Gießverfahren
zur Herstellung von
Leichtbau-TiAl-Ventilen
für Verbrennungsmotoren
(Laufzeit:
01.09.1999 – 31.08.2003)
Entwicklung einer Umformtechnik
für eine intermetallische
Titan-
Aluminidlegierung
(Laufzeit:
01.07.1999 – 30.06.2003)
83
Projektleiter
(Federführer unterstrichen)
F. Appel, GKSS Geesthacht
W.J. Quadakkers, L. Singheiser,
FZ Jülich
M. Blum, ALD Erlensee
P. Busse, ACCESS Aachen
H.-J. Laudenberg, K. Segtrop,
TRW Barsinghausen
B. Nacke, Uni Hannover,
V. Güther, GfE Nürnberg
Beteiligte Automobilindustrie:
Audi, BMW, Ford, Opel, VW,
P. Janschek, Thyssen Remscheid
D. Roth-Fagaraseanu, Rolls-
Royce Dahlewitz
F. Appell, GKSS Geesthacht
V. Güther, GfE Nürnberg
M. Baumgärtner, Leistritz Nürnberg
W. Hufenbach, TU Dresden
siehe
Abschnitt
2.1.1.
2.1.2.
2.1.3.
2.1.4.

84
Neben den endkonturnah gegossenen TiAl-Ventilen wird ein erneutes, volkswirtschaftlich
sehr wichtiges Verbundvorhaben mit dem Ziel, eine Hochtemperaturumformtechnologie für
die Herstellung von Bauteilen aus TiAl-Legierungen zu entwickeln, gefördert. Mit dieser
Entwicklung (Vorhabensbericht in Abschnitt 2.1.4.) sollen, vorgegeben durch den Anwender
Rolls-Royce, die materialwissenschaftlichen Grundlagen für die Herstellung von Verdichter-
Laufschaufeln für Flugtriebwerke erarbeitet werden. Rolls-Royce Deutschland ist bei der
Entwicklung neuer Triebwerke der BR 700-Familie bzgl. Kühlluft- und Treibstoffeinsparung
gezwungen, leichtere Werkstoffe u.a. für Turbinenschaufeln einzusetzen und hat deshalb
größtes Interesse daran, geschmiedete oder stranggepresste TiAl-Laufschaufeln, die weltweit
noch nicht auf den Markt sind, für den Hochdruckverdichter zur Verfügung zu haben. Die
TiAl-Schaufeln besitzen aufgrund der geringen Dichte im Vergleich zu den zur Zeit eingesetzten
Laufschaufeln aus Nickel-Basis-Superlegierungen ein besonders hohes Leichtbaupotenzial.
Die intermetallische Verbindung -TiAl galt bis 1999 als nicht umformbar. Es waren in erster
Linie Erkenntnisse aus den USA, dass eine gezielte Gefügeeinstellung und die mit der
schwierigen Metallurgie von TiAl verbundenen Probleme am besten über die Hochtemperaturumformung
und nicht durch Gusstechnologien beherrscht werden können. Entsprechend
dem neuesten Stand der Erkenntnisse ist deshalb für hochbeanspruchte und sicherheitsrelevante
Bauteile die Entwicklung und Anwendung von Hochtemperatur-Umformtechniken unumgänglich.
Thyssen gelang in dem im Abschnitt 1.3.4. beschriebenen Projekt „Entwicklung einer
Schmiedetechnologie zur Herstellung von Verdichter-Laufschaufeln aus -TiAl“ die rissfreie
Umformung unter eng definierten Bedingungen bei hohen Temperaturen. Jedoch zeigte sich
die Herstellung einer geschmiedeten TiAl-Turbinenschaufel mit der aufwendigen Herstellung
des Vormaterials durch Hochtemperaturstrangpressen der Gussblöcke und anschließendem
Entfernen der Kapsel als kompliziert und teuer. Um einen wirtschaftlichen Herstellungsweg
von umgeformten TiAl-Bauteilen aufzeigen zu können und die erreichten Grundlagenergebnisse
im Vorläuferprojekt in die Anwendung zu überführen, hat sich dieses weiterführende
Projekt als zwingend notwendig erwiesen.
Ein weiteres im Laufe der Entwicklungsgeschichte der Titanaluminide zu lösendes Problem
stellt sich nunmehr auch in der komplizierten Vormaterial-Herstellungstechnologie für die
neue Generation von TiAl-Legierungen dar. Eine homogene Elementverteilung (die dritte
Generation von TiAl-Legierungen setzt sich aus bis zu 8 Einzelelementen zusammen) muß
auch bei wachsender Ingotgröße sichergestellt sein. Legierungsentwicklungen haben vor allem
in den letzten Jahren gezeigt, dass ein ausgewogenes Eigenschaftspotenzial auf der
Gleichmäßigkeit der chemischen Zusammensetzung über den gesamten Ingot hinweg beruht.
Kennzeichnend für diese Situation ist, dass bislang keiner der großen US-amerikanischen
Legierungsvormaterialhersteller bereit ist, -TiAl gemäß Kundenspezifikation verbindlich
anzubieten (benutzen stets die Klausel „best effort“). Die Firma GfE in Nürnberg stellt sich
dieser Herausforderung und ist in dem genannten Verbundvorhaben als Partner bemüht, eine
Herstellungstechnologie zu entwickeln, die es gestatten soll, die Werkstoffe spezifikationsgerecht
und preiswert im industriellen Maßstab herzustellen. Nach Aussagen der GfE sind zur
Zeit die weltweiten Anfragen nach -TiAl-Vormaterial sehr groß.
In den folgenden Abschnitten soll zunächst einleitend über den neuesten Stand der Legierungsentwicklung
und den Oxidationsschutz von Titanaluminiden durch legierungstechnische
Maßnahmen informiert werden. Es handelt sich hierbei um richtungsweisende Ergebnisse aus
den vom BMBF geförderten „HGF-Strategiefonds-Projekten“ der letzten Jahre. Vor allem die

85
Ergebnisse der Legierungsentwicklungen, durchgeführt im GKSS Forschungszentrum, fließen
maßgebend mit in das noch laufende MaTech-Projekt „Entwicklung einer Umformtechnik für
intermetallische -TiAl-Legierungen“ ein (siehe späterer Abschnitt 2.1.4.). Die erreichbaren
extrem hohen Festigkeiten (verglichen mit denen der Nickel-Basis-Legierungen) bedeuten,
dass zukünftig TiAl-Legierungen bei Temperaturen > 750°C nicht nur in Flugturbinen einsetzbar
sind, sondern auch in stationären Gasturbinen und anderen Energiewandlungssystemen.
2.1.1. Entwicklung von TiAl-Legierungen der 3. Generation
Autoren: F. Appel, M. Oehring, GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Das GKSS Forschungszentrum beschäftigt sich seit 1990 mit Legierungsentwicklungen zu
den Titanaluminiden. Von 1998 bis 2001 förderte das BMBF aus den sogenannten „Strategiefonds“
das GKSS Forschungszentrum zum Thema Titanaluminide, um mit gezielter Grundlagenforschung
die Legierungsentwicklungen weiter voranzubringen. Da innerhalb dieses
BMBF-Fördervorhabens vom GKSS Forschungszentrum eine neue Generation von Titanaluminid-Legierungen
entwickelt werden konnte, die gegenwärtig in andere BMBF-Projekte
Einzug halten, soll einleitend über diese Arbeiten berichtet werden.
Bei den sogenannten Strategiefonds-Projekten handelte es sich um Verabredungen des BMBF
mit den Helmholtz-Zentren und dem HGF-Senat von 1998 bis 2001 bestimmte Forschungsvorhaben
schwerpunktmäßig zu fördern (hier Thema:„Innovative Werkstoffsysteme zur Wirkungsgradsteigerung
von stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken“).
2.1.1.1. Motivation und Zielsetzungen
Zur Durchsetzung von Leichbaukonzepten in Hochtemperaturtechnologien sind Werkstoffe
mit hohen spezifischen Festigkeiten erforderlich, die zugleich temperatur- und korrosionsbeständig
sind. Wie bereits gesagt wurde, bieten Titanaluminide aufgrund ihrer thermophysikalischen
Eigenschaften hierfür besonders günstige Voraussetzungen.
Mit Titanaluminiden sollen die etwa doppelt so schweren Nickelbasis-Superlegierungen in
mittleren Temperaturbereichen um 700 °C ersetzt werden, an denen nach mehr als 40 jähriger
Entwicklung ein sehr hoher Standard erreicht wurde. Gemessen daran sind die Titanaluminide
der zweiten Generation vor allem hinsichtlich der Festigkeit und Kriechbeständigkeit unterlegen,
selbst wenn diese Eigenschaften auf das spezifische Gewicht bezogen werden. Diese
Verhältnisse werden durch Abbildung 42 verdeutlicht, in der die spezifischen Zugfestigkeiten
von Titanaluminiden der zweiten Generation zusammen mit denen einiger konventionellen
Hochtemperaturlegierungen dargestellt wurden.
Ein Ausgleich dieses Festigkeitsdefizits würde ein massiveres Bauteildesign erfordern, wodurch
der durch die Titanaluminide angestrebte Gewichtsvorteil allerdings wieder reduziert
werden würde. Deutliche Designvorteile können mit Titanaluminiden also nur dann erwartet
werden, wenn es gelingt, deren Festigkeitseigenschaften deutlich zu verbessern [1]. Ebenso
wichtig ist es, die Anwendungstemperatur auf etwa 730 – 750 °C zu steigern, da hierdurch der
Wirkungsgrad der Anlagen besonders günstig beeinflusst werden kann.

Abb. 42: Abhängigkeit der auf die Dichte bezogenen Streckgrenze von der Verfor-
mungstemperatur für eine geschmiedete TiAl-Legierung der 2. Generation
(1) und für die konventionellen Hochtemperatur-Legierungen IMI834 (2),
René 95 (3), Inconel 718 (4) sowie IN713LC (5)
86
Im Hinblick auf diese Zielstellungen mussten in Titanaluminid-Legierungen zusätzliche Härtungsmechanismen
implementiert werden, so dass die in Abbildung 42 dargestellten Kennwerte
der konventionellen Hochtemperaturwerkstoffe nach Möglichkeit erreicht oder sogar
übertroffen werden konnten. Bei Titanaluminiden besteht gegenüber konventionellen Werkstoffen
die besondere Schwierigkeit darin, dass eine zusätzliche Versprödung des ohnehin
schon bruchempfindlichen Werkstoffs vermieden werden muss.
Titanaluminid-Werkstoffe sind bei den vorgesehenen Anwendungen in Gasturbinen bzw.
Flugtriebwerken sehr aggressiven Medien ausgesetzt, was hohe Anforderungen an die chemische
Beständigkeit des Materials stellt, denen die bisher verfügbaren Legierungen der zweiten
Generation nur bedingt Rechnung tragen konnten. Für die angestrebte Erhöhung der Einsatztemperaturen
ist daher auch eine deutliche Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Oxidation
und Korrosion bzw. die Entwicklung von geeigneten Schutzschichten erforderlich.
Die hier skizzierten Zielstellungen waren Gegenstand des HGF-Strategiefondsprojekts „Innovative
Werkstoffsysteme zur Wirkungsgradsteigerung von stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken“.
Die Thematik schließt alle wichtigen Aspekte der Herstellung und Charakterisierung
von Legierungen und Beschichtungen ein und stellte somit eine komplexe Quer-

87
schnittsaufgabe dar, an deren Bearbeitung die Forschungszentren DLR, FZJ, GKSS, HMI und
FZK beteiligt waren. Die hierzu vereinbarte Arbeitsteilung ist in Abbildung 43 skizziert.
Abb.
43: Forschungskooperation innerhalb des HGF-Strategiefondsprojekts „Innovative
Werkstoffsysteme zur Wirkungsgradsteigerung von stationären Gasturbinen
und Flugtriebwerken, Teilprojekt Titanaluminide“
2.1.1.2.
Umsetzung und Ergebnisse
Zur
Festigkeitssteigerung wurden Mischkristalleffekte und Ausscheidungsreaktionen durch
die Addition weiterer Legierungselemente eingesetzt. Bei intermetallischen Verbindungen,
wie Titanaluminiden, sind die Einflüsse von ternären oder höheren Legierungselementen auf
die mechanischen Eigenschaften jedoch sehr schwer absehbar. Durch zusätzliche Legierungselemente
entstehen Abweichungen von der stöchiometrischen Zusammensetzung, außerdem
wird die Ausdehnung der für die Gefügeausbildung maßgeblichen Phasenbereiche stark beeinflusst
oder es werden sogar neue Phasen gebildet. Diese hier angedeuteten Prozesse hängen
sehr stark davon ab, in welche Teilgitter der TiAl- bzw. Ti3Al-Matrix die Zusatzelemente
eingebaut werden. Die Bevorzugung eines der beiden Teilgitter führt meist zu Änderungen
der elektronischen Ladungsdichteverteilung und der Gitterkonstanten [2, 3], was sich sehr
stark auf die Defektkonfigurationen und die mechanischen Eigenschaften auswirken kann.
Erschwerend
kommt hinzu, dass die Löslichkeit der 2- und -Phase für nichtmetallische Zusatzelemente,
die meist zur Bildung von Ausscheidungen zulegiert werden, sehr unterschiedlich
ist. Die Wirksamkeit von Ausscheidungsreaktionen hängt daher von der Konstitution des
Gefüges und damit vom Aluminiumgehalt ab. Die hier betrachteten titanreichen Legierungen
unterliegen bei der Herstellung umfangreichen Phasenumwandlungen und Ordnungsreaktio-

88
nen, die sich aus den eben genannten Gründen ganz erheblich auf die Wirksamkeit von Härtungsmechanismen
auswirken können. Das Implementieren von Härtungsmechanismen muss
daher auch an die vorgesehenen Herstellungsverfahren angepasst werden.
Aufgrund dieser sehr komplexen Verhältnisse wurden Mischkristalleffekte und Ausscheidungsreaktionen
zunächst an übersichtlichen Legierungssystemen durch systematische Dotierungsreihen
untersucht und mit den äquivalenten binären Legierungen verglichen. Hierbei
wurde der in Abbildung 44 dargestellte Zyklus vielfach durchlaufen.
Abb.
44: Entwicklungszyklus zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von
Titanaluminid-Legierungen und eingesetzte Methoden
Mit
diesen aufwändigen Grundlagenuntersuchungen konnten Synergien zwischen Ausschei-
dungsreaktionen, Mischkristalleffekten und Mikrostrukturen aufgefunden und für das Design
von TiAl-Legierungen genutzt werden. Die hierzu parallel verlaufende Prozessentwicklung
wurde frühzeitig in industrienahen Maßstäben durchgeführt, so dass die Übertragbarkeit der
Ergebnisse auf technische Belange sichergestellt werden konnte.
Ergebnisse:
Aus
der Entwicklung ist eine neue Klasse von TiAl-Legierungen (nachfolgend mit TNB be-
zeichnet) hervorgegangen, die am internationalen Standard gemessen, eine Spitzenstellung
einnimmt [4]. Die Legierungen lassen sich durch die allgemeine Zusammensetzung (in At.%)
Ti-(44-47)Al-(5-10)Nb-(1-3)M-(0,5-1)X beschreiben, wobei M für metallische Elemente wie
Cr, Ta, Mo, Er und W steht. Durch X werden Nichtmetalle wie B, Si und C vertreten, die zur
Bildung von Ausscheidungsreaktionen zulegiert wurden. Die TNB-Legierungen zeichnen sich
also gegenüber den bisher bekannten TiAl-Legierungen durch relativ hohe Nb-Gehalte aus.

89
Das Niob wird in das Ti-Untergitter von (TiAl) und 2(Ti3Al) eingebaut [5], wobei die Kinetik
der Lamellenbildung günstig beeinflusst und extrem feine Gefüge ausgebildet werden.
Die TNB-Legierungen wurden zusätzlich durch Ausscheidungsdispersionen von Karbiden,
Siliciden und Boriden gehärtet und verformen sich wesentlich homogener als konventionelle
TiAl-Legierungen.
Abb.
45: Zugfestigkeiten von TNB-Legierungen:
(a) Abhängigkeit der spezifische Streckgrenzen
von der Verformungstemperatur für
verschiedene TNB-Legierungen (2, 3) im Vergleich mit der Hochtemperatur-
Titanlegierung IMI834 (4), den kommerziellen Superlegierungen René 95 (5), Inconel
718 (6) und IN713LC (7) sowie einer geschmiedeten TiAl-Legierung der
zweiten Generation mit der Zusammensetzung (At.%) Ti-47Al-2Cr-0,2Si (8).
(b) Registrierkurve eines an einer Legierung TNB-V5 bei Raumtemperatur
durchgeführten Zugexperiments.
Der
Werkstoff kann außerdem sehr schnell auf lokal auftretende Spannungskonzentrationen
mit Zwillingsbildung reagieren, wodurch die Entstehung von Rissen unterdrückt wird. Die
TNB-Legierungen sind daher trotz ihrer hohen Festigkeit auch bei Raumtemperatur noch
recht gut verformbar, was sich durch plastische Zugdehnungen von teilweise mehr als 2 %
ausweist (Abbildung 45a). Die Legierungen weisen gleichzeitig sehr hohe Zugfestigkeiten
auf, die bei Raumtemperatur bei 1000 MPa liegen und an Titanaluminiden bisher nicht erreicht
wurden. Sie sind damit in Bezug auf die spezifische Zugfestigkeit den derzeit gebräuchlichen
Hochtemperaturlegierungen überlegen (Abbildung 45b).
Durch
den relativ niedrigen Diffusionskoeffizienten werden Klettervorgänge von Versetzungen
und unerwünschte Strukturänderungen, die in konventionellen TiAl-Legierungen unter
Kriechbelastung auftreten, sehr stark unterdrückt. Dies führt neben anderen Faktoren zu außergewöhnlich
guten Kriecheigenschaften, die in Abbildung 46 in einer Larsen-Miller-
Darstellung den Kriecheigenschaften einiger Superlegierungen gegenübergestellt sind. Danach
können mit den TNB-Legierungen auch hinsichtlich der Kriecheigenschaften bei Anwendungstemperaturen
zwischen 700 °C und 800 °C gegenüber den etablierten Hochtemperatur-Werkstoffen
wie René 80 deutliche Designvorteile erreicht werden. In Bezug auf Hochtemperaturanwendungen
kann darauf verwiesen werden, dass die TNB-Legierungen aufgrund

90
ihrer relativ hohen Nb-Gehalte sehr gut oxidationsbeständig sind [6]. Sie stellen somit eine
technisch attraktive Alternative zu den etwa doppelt so schweren Nickelbasis-
Superlegierungen dar.
Abb.
46: Kriecheigenschaften von TNB-Legierungen;
Vergleich mit einer konventionellen TiAl-Legierung
Ti-48Al-2Cr (At.%) und
dem kommerziellen Hochtemperaturwerkstoff René 80 durch eine Larson-Miller-
Parameter(LPM)-Darstellung für die Dehnungen = 0,2 %, 0,5 % und 1 %
2.1.1.3.
Perspektiven
Für
die TNB-Legierungen konnten zwei Bereiche von Zusammensetzungen definiert werden,
die Gegenstand der Patentanmeldungen Deutsches Patentamt, Aktenzeichen 1977 35 841.1
und 100 58 155.2 sind. Für eine daraus ausgewählte Zusammensetzung (TNB-V5) wurde eine
Lizenz vergeben. Eine besonders kriechbeständige Variante (TNB-V2) wird innerhalb des
BMBF-Verbundprojekts "Entwicklung einer Umformtechnologie für intermetallische Gamma-Titanaluminid-Legierungen"
zur Herstellung von Kompressor-Laufschaufeln für Flugzeugturbinen
eingesetzt (siehe Abschnitt 2.1.4.).
Die
TNB-Legierungen wurden bisher in Form von Ingots bis zu 150 kg, als stranggepresstes
Halbzeug und als Pulver hergestellt. Die Bauteilfertigung über Feingussverfahren steht noch
aus, soll aber in einem neuen BMBF-Verbundprojekt "Entwicklung von Titanaluminid-
Legierungen für die Bauteilfertigung über Gusstechnologien" erprobt werden.

2.1.1.4. Veröffentlichungen
91
1.
F. Appel and R. Wagner, Mater. Sci. Eng. R22, 187 (1998).
2.
C. Woodward, S.A. Kajihara, S.I. Rao, and D.M. Dimiduk, in: Gamma Titanium Aluminides
1999, eds. Y-W. Kim, D. M. Dimiduk, M.H. Loretto (TMS, Warrendale, PA, 1999),
p. 49.
3.
M.H. Yoo and C.L. Fu, Metall. Mater. Trans. A, 29A, 49 (1998).
4.
F. Appel, M. Oehring and R. Wagner, Intermetallics, 8, 1283 (2000).
5.
C.J. Rossouw, C.T. Forwood, M.A. Gibson, and P.R. Miller, Phil. Mag. A74, 77 (1996).
6.
L. Singheiser, W.J. Quadakkers and V. Shemet, in: Gamma Titanium Aluminides 1999,
eds. Y-W. Kim, D. M. Dimiduk, M.H. Loretto (TMS, Warrendale, PA, 1999), p. 743.
Publikationen
im Rahmen der Projekttätigkeit:
U.
Lorenz. M. Oehring, F. Appel, Effects of Dislocation Dynamics and Microstructure on
Crack Growth Mechanisms in Two-Phase Titanium Aluminide Alloys. In: Intermetallics
and Superalloys, Eds.: D.G. Morris, S. Naka and P. Caron, EUROMAT 99 – Volume 10,
Wiley-VCH, Weinheim, 2000, Seiten 175-180.
W.-J.
Zhang, U. Lorenz and F. Appel, Recovery, Recrystallization and Phase Transformations
During Thermomechanical Processing and Treatment of TiAl-Based Alloys, Acta
mater. 48, 2803-2813 (2000).
F.
Appel, M. Oehring, R. Wagner, Novel Design Concepts for Gamma-Base Titanium
Aluminide Alloys, Intermetallics 8, 1283-1312 (2000).
F.
Appel, U. Brossmann, U. Christoph, S. Eggert, P. Janschek, U. Lorenz, J. Müllauer, M.
Oehring, and J.D.H. Paul, Recent Progress in the Development of Gamma Titanium Aluminide
Alloys, Advanced Engeneering Materials 2, 699-719, (2000).
F.
Appel, Diffusion Assisted Dislocation Climb in Intermetallic Gamma TiAl, Materials
Science and Engineering A317, 115-127 (2001).
F.
Appel and R. Wagner, Intermetallics: Titanium Aluminides. In: Encyclopedia of Materials:
Science and Technology, Editors-in-Chief: K.-H.J. Buschow, R.W. Cahn, M.C.
Flemings, B. Ilschner, E.J. Kramer, S. Mahajan, Pergamon, An imprint of Elsevier Science,
Amsterdam, 2001.
F.
Appel, Advances in Intermetallic Titanium Aluminides. In: Materials for the Third Millenium,
Eds.: R.K. Ray, V.S.R. Murthy, N.K. Batra, K.A. Padmanabhan, S. Ranganathan,
Science Publishers Inc., Enfield, NH, 2001, pp. 145-173.
F.
Appel, Mechanistic Understanding of Creep in Gamma-Base Titanium Aluminide Alloys,
Intermetallics, 9. 907 (2001).

92
2.1.2. Beschichtungen für Titanaluminide
Autor: W.J. Quadakkers, Forschungszentrum Jülich IWV-2
Innerhalb
des unter 2.1.1. genannten Strategiefondsthema „Innovative Werkstoffsysteme zur
Wirkungsgradsteigerung von stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken“ ist dem FZ Jülich
unter anderem gelungen, neue oxidationsbeständige Schichtsysteme für Titanaluminide zu
entwickeln, die es gilt, weiter zu verfolgen. Zunächst handelt es sich um Ergebnisse der
Grundlagenforschung, die noch nicht in eine industrielle Anwendung überführt worden sind.
2.1.2.1.
Motivation und Zielsetzungen
Beim
Hochtemperatureinsatz von Bauteilen aus Titanaluminiden ist eine ausreichende Oxida-
tionsbeständigkeit der Werkstoffe von großer Bedeutung. Der Oxidationsschutz konventioneller
metallischer Werkstoffe beruht auf der Bildung von langsam wachsenden Deckschichten
auf Cr- oder Al-Oxidbasis, die sich während des Hochtemperatureinsatzes auf den Werkstoffoberflächen
ausbilden. Dies erreicht man, indem die Werkstoffe mit ausreichend hohen Anteilen
von Cr bzw. Al legiert werden. Titanaluminide enthalten per Definition hohe Al-Gehalte
und die Ausbildung schützender Deckschichten sollte damit gewährleistet sein. Jedoch zeichnen
sich alle Titanaluminide durch eine hohe Löslichkeit von Sauerstoff aus, das insbesondere
für Werkstoffe auf der Basis 2- sowie für die orthorhombischen Phasen gilt. In -TiAl ist die
Sauerstofflöslichkeit wesentlich geringer, jedoch bildet sich auch bei diesem TiAl-Typ durch
oxidationsbedingte Al-Verarmung in oberflächennahen Bereichen nach längeren Einsatzzeiten
2-Phasenanteile. Die hohe Sauerstofflöslichkeit bewirkt, dass Al zu innerer Oxidation
neigt und somit keine schützende Deckschicht aus Al-Oxid ausbildet. Stattdessen tendieren
alle Titanaluminide zur Bildung von relativ schnell wachsenden Mischoxiden aus Ti- und Al-
Oxid, was den Einsatz der Werkstoffe bei hohen Temperaturen wesentlich einschränkt.
Es
stellte sich heraus, dass durch legierungstechnische Maßnahmen die Oxidationsbeständig-
keit verbessert werden kann. Insbesondere Niob-Zusätze führen zu einer Reduzierung der
Oxidationsrate. Jedoch sind relativ hohe Niob-Zusätze erforderlich, um einen signifikanten
Effekt zu bewirken, der zu einer Erhöhung der Dichte und ggf. einer Beeinflussung der mechanischen
Eigenschaften führt.
Ziel
der Untersuchungen war es daher, Oxidationsschutzschichten zu entwickeln, die es erlauben,
eine Komponente auf der Basis eines hochfesten Titanaluminids und eines Schichtwerkstoffs
zu konstruieren, der nur die Funktion des Oxidationsschutzes ausübt.
2.1.2.2.
Umsetzung und Ergebnisse
Der
Einsatz von konventionellen Schutzschichtsystemen für den Hochtemperaturbereich, z.B.
auf der Basis NiCoCrAlY, sind für Titanaluminide auf Grund der fehlenden physikalischen
und chemischen Kompatibilität zwischen Schicht- und Grundwerkstoff nicht geeignet. Die
Arbeiten konzentrierten sich daher auf die Entwicklung einer Al-oxidbildenden Schutzschicht
auf TiAl-Basis. Durch die Ähnlichkeit in der chemischen Zusammensetzung der Schutzschicht
und des Grundwerkstoffes ist somit eine ausgezeichnete Kompatibilität gewährleistet.

93
Es wurden zwei Strategien zur Schutzschichtentwicklung verfolgt:
Schichten
auf der Basis Ti-Al-Cr(-N) mit Al-Anteilen von 44 bis 63% und Cr-
Zusätzen von 6 – 22%:
Durch die hohen Cr-Zusätze
wird in diesen Schichten die Bildung der sauerstoffreichen
2-Phase unterdrückt, wodurch auch nach langen Zeiten stabile Al-Oxid-Deckschichten
bei Temperaturen bis zu 900°C gebildet werden. Die Schichten auf der Basis von Ti-Al-
Cr-Y-N besitzen, neben einer exzellenten Oxidationsbeständigkeit bis 950°C, zusätzlich
noch eine hohe Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit, wie sie in Flugtriebwerken oder
stationären Gasturbinen im Bereich des Verdichters erforderlich sind. Die stickstoffhaltigen
Schichten erhalten durch das spezielle Herstellungsverfahren, bei dem Lichtbogenverdampfung
mit einem Magnetron-Sputter-Verfahren kombiniert wird, eine optimierte
Mikrostruktur, wobei sich die mechanischen Eigenschaften der sehr dünnen Einzelschich-
ten günstig auswirken. Bei einer Einzelschichtdicke von unter einem Nanometer sind die
Schutzschichten aus mehreren tausend Einzellagen aufgebaut. Die Schichtsysteme wurden
über mehrere tausend Stunden auch bei zyklischer thermischer Beanspruchung erfolgreich
getestet.
Schichten auf der Basis Ti-Al-Ag mit Al-Anteilen von 46 bis 52% und Ag-Zusätzen
von 1.5 – 2.5%:
Die positive Wirkung
der geringen Ag-Zusätze basiert auf einer Stabilisierung der sogenannten
Z-Phase (ternäre Verbindung mit nomineller Zusammensetzung Ti5Al3O2) in der
Verarmungszone unterhalb der oxidischen Deckschicht, wodurch die Bildung der 2-
Phase im oberflächennahen Bereich verhindert wird. Als Grundlage für die Schichtent-
wicklung wurde das Phasendiagramm Ti-Al-Ag untersucht und anschließend eine Oxida-
tionskarte für Ti-Al-Ag-Legierungen erarbeitet. Hieraus wurden Zusammensetzungen für
optimale Schutzschichten ausgewählt. Diese Zusammensetzungen wurden mittels
Magnetron-Sputtern auf eine Reihe von hochfesten -Titanaluminiden aufgebracht. Die
Schichtdicken betrugen 20 bis 50 µm.
a)
Z-phase
Ti-50Al-2Ag
-Al 2O 3
2 µm
b)
Al 2O 3 Z-phase
Ti-Al-Ag Ti-48Al-2Ag coating
Abb.
47: Deckschichtbildung nach 1000h Oxidation bei 1000°C in Luft:
a) Ti-Al-Ag-Modelllegierung,
b) mittels Magnetronsputtern hergestellte
Ti-Al-Ag-Schicht
2 µm

2.1.2.3. Perspektiven
94
An
den beschichteten Proben erfolgten Auslagerungsversuche in Sauerstoff und Luft bei
Temperaturen im Bereich 600 – 800°C. Ziel der Untersuchungen war es zu prüfen, ob die
Oxidationskinetiken der Schichten ähnliche Werte lieferten, wie sie bei Grundlagenversuchen
an den Modellegierungen beobachtet wurden (Abbildung 47). Außerdem wurde die Interdiffusion
zwischen Grundwerkstoff und Schicht bis zu Zeiten von 2000h ermittelt, um hieraus
die durch Interdiffusion bedingte Lebensdauerbegrenzung als Funktion der Schichtdicke und -
Zusammensetzung auf verschiedenen Substratwerkstoffen vorhersagen zu können.
Die
Ergebnisse zeigten, dass die bei den Modellsystemen beobachtete Al-Oxidbildung auch
bei den Beschichtungen sowohl bei isothermer als auch zyklischer Temperaturbelastung in
verschiedenen Testgasen (Luft, Sauerstoff, Wasserdampf) bis zu den maximal erreichten
Testzeiten von 2000h und Temperaturen bis zu 800°C erhalten blieb. Die Breite der Interdiffusionszone
(Abbildung 48) war sehr stark von der Zusammensetzung des Substratwerkstoffs
abhängig. Das Vorhandensein von refraktären Elementen (z.B. Nb, Ta) verlangsamte die Interdiffusion.
Dieser Effekt wurde auch bei Versuchen an Ti-Al-Ag-Schichten auf Titan und
Titanlegierungen beobachtet.
Die
neueren Untersuchungen befassen sich mit der Modifizierung der Zusammensetzungen
der Ti-Al-Ag-Schichten, um die oxidationsbedingten Einsatzgrenzen auf Temperaturen oberhalb
900°C zu erweitern.
Die
Grundlagenuntersuchungen werden somit fortgeführt. Mit entsprechenden Anwenderfirmen
wurden erste Gespräche geführt.
a)
Ti-Al-Ag-Coating
Ti-46Al-4(Cr,Nb,Ta,B)
substrate alloy ,
Al 2 O 3 -scale
Z-Phase
Interdiffusion
zone
10 µm
Width of interdiffusion zone ( µm )
60
50
40
30
20
10
Interdiffusion between Ti-Al-Ag coating
and various substrate materials
Ti-48Al-2Cr; 800°C
Timetal CB; 600°C
0
0 200 400 600 800 1000 1200
Time ( h)
Titan; 700°C
Ti-45Al-8Nb; 800°C
Abb.
48: a) Ti-Al-Ag-Schicht auf hochfester -TiAl-Substratlegierung nach Auslagerung
bei 800°C in Luft,
b) Typische zeitliche Entwicklung
der Interdiffusionszone zwischen der
Ti-Al-Ag-Schicht und verschiedenen Substratwerkstoffen während der Aus
lagerung im Temperaturbereich von 600 bis 800°C.

2.1.2.4. Veröffentlichungen
95
V. Shemet, L. Niewolak, P. Ennis, L. Singheiser, W.J. Quadakkers; Oxidation Resistant
-TiAl Based Alloys for Advanced Gas Turbine Components and Coating Systems,
Parsons 2000 - Advanced Materials for 21st Century Turbines and Power Plant, Cambridge,
UK, 3 - 7 July, 2000, Proceedings Eds. A. Strang, W. Banks, R. Conroy, G.
McColvin, J. Neal, S. Simpson. University Press, Cambridge, U.K, ISBN 1-86125-
113-0, p. 874-884.
L. Niewolak, V. Shemet,
A. Gil, E. Wessel, L. Singheiser, W.J. Quadakkers, Development
of Alumina Forming Coatings for Titanium and Titanium Aluminides, 3rd Int.
Symp. on Structural Intermetallics, Jackson Hole, Wyoming, USA, 23-27 Sept. 2001,
Structural Intermetallics, Edts. K. Hemker, D. Dimiduk, H. Clemens, R. Dariola, H.
Inui, J. Larsen, V. Sikka, M. Thomas, J. Whittenberger, The Minerals, Metals & Materials
Society, 2001, p. 535-540.
A.K. Tyagi, L. Niewolak, V. Shemet,
U. Breuer, J.S. Becker, L. Singheiser, W.J.
+
Quadakkers, MCs -SIMS Studies of the Scale Formation on Alumina Forming -TiAl
Alloys, Report Forschungszentrum Jülich, Jül-3821, Edt. J.S. Becker, November 2000,
ISSN 0944-2952, p. 289-296.
L. Niewolak, V. Shemet, A. Gil,
L. Singheiser, W.J. Quadakkers, Alumina Forming
Coatings for Titanium and Titanium Aluminides, Advanced Engineering Materials
3(7) (2001) 496-500.
L. Niewolak, V. Shemet,
A. Gil, L. Singheiser, W.J. Quadakkers, Studies Concerning
the Life Time of Alumina Forming Ti-Al-Ag Coatings, Workshop “Life Time Modelling
of High Temperature Corrosion Processes”, EFC event 248, 22-23 Febr. 2001,
Frankfurt, Proceedings in European Federation of Corrosion Monograph, Nr. 34, Edts.
M. Schütze, W.J. Quadakkers, J. Nicholls, The Institute of Materials, London, 2001,
ISSN 1354-5116, p. 297 – 310.
Z. Tang, L. Niewolak, V. Shemet,
L. Singheiser, W.J. Quadakkers, F. Wang, W. Wu,
A. Gil, Development of Oxidation Resistant Coatings for -TiAl Based Alloys, Materials
Science and Engineering, A328 (2002) 297-301.

96
2.1.3. Bau einer Pilotanlage zur Massenfertigung von TiAl-Motorventilen
Autor: P.Busse, ACCESS e.V.
Die Partner des Vorhabens waren:
- ACCESS e.V.
- ALD Vacuum Technologies AG
- BMW AG
- GFE GmbH
- TRW Deutschland GmbH
- Institut für Elektrothermische Prozesstechnik, Universität Hannover
- AUDI AG, BMW AG, Ford Forschungszentrum GmbH, Adam Opel AG, VW AG
2.1.3.1. Motivation und Zielsetzungen
Im Rahmen des Vorläuferprojektes “Permanentkokillenguss zur Herstellung von TiAl-Ventilen“
wurde ein neuer Gießprozess zur kostengünstigen Fertigung von TiAl-Ventilen entwickelt.
Er zeichnet sich durch einen sehr hohen Integrationsgrad aus, da Legierungsaufbau,
Schmelzen, Reinigen und Gießen in einem Arbeitsgang stattfinden. Erreicht wird dies durch
die Integration eines modifizierten Kaltwand-Induktionstiegelofens (KIT) und einer beheizten
metallischen Schleudergusskokille in einer Vakuumkammer.
In einer entsprechenden Laboranlage gegossene Ventile weisen bereits im Gusszustand hervorragende
Festigkeitseigenschaften auf. Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung liegen
deutlich über den Anforderungen der Automobilhersteller. Dies wird auch durch einen erfolgreich
abgeschlossenen Motortest über 500 Stunden dokumentiert.
Trotz des großen Interesses der Automobilkonzerne finden TiAl-Ventile bei der Entwicklung
neuer Motoren erst dann Berücksichtigung, wenn nachgewiesen wird, dass der neue Gießprozess
das Potenzial für eine kostengünstige Massenproduktion bei gleichbleibend hoher
Qualität besitzt. Die Erfahrungen aus der Laboranlage haben jedoch deutlich gemacht, dass
mit dem Konzept einer nicht automatisierbaren mehrlagigen Topfkokille die Herstellung großer
Stückzahlen nicht möglich ist.
Ziel des bis Ende August 2003 laufenden Verbundvorhabens ist es, eine neue Versuchsanlage
aufzubauen und zu betreiben, die letztlich die Qualifizierung des Gießprozesses als Massenherstellungsverfahren
für kostengünstige TiAl-Ventile ermöglicht.
Das Konzept einer solchen Pilotanlage wurde in Zusammenarbeit zwischen ALD und
ACCESS entwickelt, Abbildung 49. Kernstück ist ein um die horizontale Achse drehendes,
zweiteiliges Kokillengießrad mit 50 Gießnestern, welches das automatische Entnehmen der
gegossenen Ventile zulässt und somit den kontinuierlichen Betrieb der Anlage ohne Brechen
des Vakuums ermöglicht.

Abb. 49: Die bei ACCESS aufgestellte und optimierte Pilotanlage hat eine Jahres-
kapazität von 600 000 Teilen.
Der Betrieb der Anlage kann mit einer Person aufrechterhalten werden.
97
Zur Qualifizierung des Gießprozesses gehört auch die direkte motorische Erprobung der gegossenen
Ventile in verschiedenen Otto- und Dieselaggregaten, die durch ihr Motorkonzept
eine erhöhte thermische und mechanische Belastung der Ventile aufweisen. Um das Potenzial
der TiAl-Ventile besser bewerten zu können, werden bei den fünf am Verbundvorhaben beteiligten
Automobilkonzerne anders als bei bisherigen Motortests mit TiAl-Ventilen modifizierte
d.h. den leichteren Ventilen angepasste Ventiltriebe eingesetzt. Untersucht wird neben dem
Bauteillangzeitverhalten, die Ventildynamik, die auftretende Reibleistung, das Geräusch- und
Vibrationsniveau, die Ventiltemperatur sowie Abgaskennwerte und das Potenzial zur Kraftstoffeinsparung.
2.1.3.2. Umsetzung und Ergebnisse
Der Ablauf des Projektes lässt sich in drei Phasen unterteilen. Im Mittelpunkt der ersten Phase
standen die Auslegung des Gießrades und die Konstruktion der Gesamtanlage. Gegenstand
der zweiten Phase war der Aufbau der Anlage sowie die Entwicklung eines geeigneten Qualitätssicherungskonzeptes.
In der dritten Phase wurde die Anlage in Betrieb genommen und
notwendige Optimierungsarbeiten durchgeführt. Zurzeit werden Versuchsteile hergestellt und
die Massenproduktion im Schichtbetrieb erprobt.
Das neue Gießrad ist ein thermisch und mechanisch äußerst hoch beanspruchtes Bauteil, dargestellt
in Abbildung 50. Da es sich um eine komplette Neuentwicklung handelt, wurden vor
der eigentlichen Detailkonstruktion umfangreiche Analysen und Berechnungen bzw. Simulationsarbeiten
auf Basis des Konzeptentwurfs von ALD und ACCESS durchgeführt. Ferner

98
wurde bei ACCESS ein Wassermodell des Gießrades aufgebaut und erprobt. Mit Hilfe einer
„Schnellen Kamera“ bzw. mitdrehenden CCD-Minikamera konnte der Prozessablauf überprüft
und wesentliche Erkenntnisse für die Konstruktion gewonnen werden.
Um die Qualität der Ventile aus dem Vorläuferprojekt zu erhalten, wurde bei der Auslegung
des Gießrades darauf geachtet, dass die thermischen Bedingungen bei der Erstarrung der Ventile
vergleichbar mit den Bedingungen in der Laboranlage sind. Ferner wurde unter Berücksichtigung
technologischer, aber auch wirtschaftlicher Randbedingungen der Prozessablauf
definiert.
Auf Basis der Voruntersuchungen erfolgte die Konstruktion der Gesamtanlage bei ALD Vacuum
Technologies AG. An die Fertigung der einzelnen Anlagenkomponenten schloss sich
die Integration und Inbetriebnahme der Pilotanlage am Standort ACCESS an.
Abb. 50: Im Zentrum des neu entwickelten Gießrades für den Abguss von 50 TiAl-
Ventilen ist der Kaltwand-Induktions-Tiegel und der Gießtrichter zu erkennen.
Ersten Probeabgüssen mit Aluminium, mit denen die grundsätzliche Funktionalität des Gießradprinzips
unter Beweis gestellt werden konnte, folgten Abgüsse von TiAl. Hierzu wurde die
Vorwärmung der Niobnester erprobt sowie mit instrumentierten Heizversuchen die Temperaturverteilung
erfasst. Die Übertragung des Wärmehaushaltes von der Laborkokille auf das
Gießrad gelang wie beabsichtigt. Die benötigte Aufheizzeit zur Einstellung des Temperaturprofils
liegt bei ca. 8 Minuten, die Schmelzzeit des TiAl im KIT bei max. 15 Minuten.
Nach Abschluss notwendig gewordener konstruktiver Anpassungsarbeiten konnte der automatische
Betrieb der Gießanlage aufgenommen werden und die aus wirtschaftlicher Sicht
angestrebte Taktzeit der Anlage von max. 30 Minuten ohne Einschränkung erreicht, ja sogar
unterschritten werden. Daraus ergibt sich für die Pilotanlage eine Kapazität von 600 000 Tei-

99
len pro Jahr im 3-Schichtbetrieb. Mittlerweile konnten mehr als 6000 Ventile ohne offensichtliche
Verschleißerscheinungen in ein und derselben Kokille abgegossen werden.
Während der Projektlaufzeit fanden weitere erfolgreiche Motortests mit TiAl-Ventilen aus
dieser Gießlinie statt. Zur Durchführung der geplanten Untersuchungen werden jedem der
beteiligten Automobilhersteller während der Projektlaufzeit 200 Versuchsteile zu Testzwecken
zur Verfügung gestellt mit dem Ziel, das Potenzial des TiAl für die verschiedenen
Motorkonzepte ausloten zu können und benötigte Informationen für die Auslegungen neuer
Motorkonzepte mit leichten Ventilen zu gewinnen.
Die Weiterverarbeitung der Ventile, wie z.B. das Abtrennen der Ventile vom Gießbaum, wurde
bei ACCESS mittels Wasserstrahltechnologie etabliert und optimiert. Mit dieser Technik
sind alle Voraussetzungen für ein kostengünstiges und schnelles Abtrennen der Ventile vom
Gießbaum gegeben. Die Bearbeitung und Beschichtung der Rohlinge wird bei TRW Deutschland
GmbH unter dem Gesichtspunkt der Massenherstellung erprobt, optimiert und bewertet.
Das benötigte Ingotmaterial für den Gießprozess wird von der GFE GmbH in Nürnberg hergestellt.
Neben der Rollen des Zulieferers werden schlüssige Recyclingkonzepte untersucht,
mit dem Ziel, den Legierungspreis deutlich absenken zu können.
Trotz der Verzögerungen während des Anlagenbaus und der Inbetriebnahme kann davon ausgegangen
werden, dass das Projektziel bis Ende 2003 erreicht wird. Insbesondere liegen klare
und belastbare Informationen zur Ermittlung der Kosten für TiAl-Ventile vor. Des weiteren
kann aufgrund der technologischen Erfahrungen und der ermittelten Qualitätskriterien die
schnelle Umsetzung in eine Massenfertigung sichergestellt werden.
2.1.3.3. Perspektiven
Der Bedarf an leichten Ventilen für Auto- und Motorradmotoren ist unumstritten. Ventile aus
TiAl haben in zahlreichen Tests ihre Eignung und Potenzial unter Beweis stellen können.
Falls die Kosten der neuen Gießroute nicht über den kalkulierten Kosten liegen und die Einsparmöglichkeiten
bei der Bearbeitung der Ventile die höheren Materialkosten kompensieren,
besteht berechtigte Hoffnung auf den Einsatz der Ventile im Großserienmaßstab.
Der Aufbau einer entsprechenden Fertigungsstrecke lässt sich mit dem entwickelten Anlagenkonzept
in angemessener Zeit umsetzen. Der zwischenzeitliche Bedarf kann durch die
vorhandene Pilotanlage abgedeckt werden. Die benötigten Investitionsmittel halten sich im
Rahmen, da die Bearbeitung der Rohlinge auf den vorhandenen Produktionsmaschinen
durchgeführt werden kann.
2.1.3.4. Veröffentlichungen
M. Blum, G. Jarczyk, H. Scholz, S. Pleier, P. Busse, H.-J. Laudenberg, K. Stegtrop, R.
Simon: Prototype Plant for the Economical Mass Production of TiAl-Valves. 5th
International Conference on Structural & Functional Intermetallics (ICSFI 2000), 16-
20 July 2000, Vancouver
G. Jarczyk, M. Blum, P. Busse, H. Scholz, H.-J. Laudenberg, K. Segtrop: New casting
technology for low-priced titanium-aluminide automotive valves. Inzynieria materialowa
120 (2001) 1, p. 46-49.

100
M. Blum, P.Busse, H. G. Fellmann, H. Franz, G. Jarczyk, T. Ruppel, K. Segtrop, H.-J.
Laudenberg: Commissioning of a prototype plant for the economical mass production
of TiAl-valves. Structural Intermetallics 2001, ed. by K. J. Hemker, Warrendale :
TMS, 2002, p. 131-135.
2.1.4. Umformtechnologien für hochfeste TiAl-Legierungen der 3. Generation
Autoren: F. Appel, M. Oehring, GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Die Partner des Verbundvorhabens waren:
- Thyssen Umformtechnik Turbinenkomponenten GmbH, Remscheid;
- Rolls-Royce Deutschland GmbH, Dahlewitz;
- GfE Metalle und Materialien GmbH, Nürnberg;
- Leistritz AG, Nürnberg;
- GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH
- Unterauftragnehmer: Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, TU Dresden; Lehrstuhl
Metallkunde und Werkstofftechnik, BTU Cottbus;
2.1.4.1. Motivation und Zielsetzungen
Die Entwicklung einer Schmiedetechnologie zur Herstellung von TiAl-Turbinenschaufeln
war bereits Gegenstand eines BMBF-Vorhabens gewesen, über das in Abschnitt 1.3.4. berichtet
wurde. In diesem Vorhaben konnte die Anwendbarkeit der eingeschlagenen Herstellroute
eindeutig nachgewiesen werden, was sich in der Herstellung von ca. 200 fehlerfreien Verdichterschaufeln
manifestiert hat.
Neben dieser erfolgreichen Bilanz haben sich jedoch verschiedene Probleme gezeigt, die einer
Serienfertigung von Titanaluminidbauteilen für sicherheitsrelevante Anlagen noch im Wege
stehen. Hierzu zählt die unzulängliche Qualität von großen Gussblöcken von etwa 250 kg
Gewicht. Die Probleme liegen hier in nicht zu tolerierenden Abweichungen von der Soll-
Zusammensetzung, im Auftreten von Mikro- und Makroseigerungen sowie in der Bildung
von Rissen und Lunkern.
Diese Qualitätsprobleme ließen sich mit den bisherigen amerikanischen Lieferanten nicht
lösen, weshalb ein deutscher Rohmaterialproduzent in ein Nachfolgeprojekt einbezogen wurde,
um entsprechende Entwicklungsarbeiten durchführen zu können.
Ein weiteres Problem der bis dahin entwickelten Schmiedetechnologie waren die hohen Herstellkosten,
denen zum einen durch die Übertragung der erprobten Primärumformverfahren
auf Ingots mit mindestens 80 kg Gewicht begegnet werden sollte, zum anderen durch die
Entwicklung von CFK-armierten Schmiedegesenken, um die sehr teuren und schnell verschleißenden
Gesenke auf Molybdän-Basis zu vermeiden.
Weiterhin bestand sehr großes Interesse bei der in das Vorgängerprojekt eingebundenen Anwenderfirma
Rolls-Royce Deutschland, auch für die neuentwickelten TiAl-Legierungen der 3.
Generation eine industrielle Umformtechnologie zu entwickeln, da diese Legierungen eine
Erweiterung des Einsatzspektrums von TiAl-Legierungen im Flugtriebwerk erwarten ließen.

101
Dabei war abzusehen, dass sowohl die beträchtliche Warmfestigkeit als auch die erhöhte Gefügestabilität
dieser Legierungen die Umformeigenschaften negativ beeinflussen würden und
daher die Prozessbedingungen neu zu ermitteln waren.
Ziel des hier dargestellten Vorhabens ist aus diesen Gründen, für die Legierungen der 3. Generation
eine wirtschaftliche und über alle Prozessstufen sicher beherrschbare Umformtechnologie
zu entwickeln.
2.1.4.2. Umsetzung und Ergebnisse
Für das Projekt waren zwei Umformrouten vorgesehen:
Die erste Route sollte aus dem Strangpressen eines ganzen Ingots auf einer industriellen Presse
sowie der nachfolgenden mechanischen Fertigung von Schaufelvorformen und ihrer abschließenden
Formgebung durch elektrochemisches Senken bestehen.
In der zweiten Route sollte nach dem Primärumformen durch Isothermschmieden oder
Strangpressen eine Vorformscheibe in Gesenke geschmiedet werden, aus der dann Schaufelrohlinge
getrennt und diese anschließend in die Endform geschmiedet werden sollten.
Für das Vorhaben wurden 2 Legierungen gewählt: die -TAB-Legierung, deren Umformverhalten
gut bekannt war, und eine der im GKSS Forschungszentrum neu entwickelten, Nbreichen,
aushärtbaren Legierungen - TNBV2 - , mit der sich Festigkeiten über 1000 MPa und
exzellente Kriechfestigkeit erreichen lassen.
Ermittlung von Umformfenstern:
Mit reibungsfreien Zylinderstauchversuchen wurden in einer systematischen Studie die Umformeigenschaften
von Ingotmaterial und von stranggepresstem Material der TNBV2-
Legierung untersucht, um geeignete Prozessfenster bestimmen zu können. Die aufgenommenen
Fließkurven (Abbildung 51) und begleitende metallographische Untersuchungen zeigten,
dass diese Legierung eine beträchtliche Warmfestigkeit aufweist und nur langsam rekristallisiert.
Insbesondere für Ingotmaterial müssen möglichst Temperaturen oberhalb 1150 C angewendet
werden, um ausreichend rekristallisierte Gefüge zu erreichen.
Aus diesen Untersuchungen ließen sich optimale Umformbedingungen ableiten, wobei für die
TNBV2-Legierung geringe Umformgeschwindigkeiten und noch höhere Umformtemperaturen
als für andere TiAl-Legierungen gewählt werden müssen und deshalb die
Grenztemperatur der Gesenke auf Molybdän-Basis erreicht wird.

(MPa)
600
500
400
300
200
102
100
1050 °C
1100 °C
1150 °C
0
0.0 0.2 0.4
1200 °C
0.6 0.8
Umformgrad
950 °C
1000 °C
Abb. 51: In reibungsfreien Zylinderstauchversuchen an Ingotmaterial
der TNBV2-Legierung für eine wahre Umformgeschwindigkeit
von 1 · 10 -3 s -1 ermittelte Fließkurven.
Primärumformung:
Das Heißstrangpressen war im Vorgängerprojekt an Rohlingen mit einem Durchmesser von
65 mm durchgeführt worden und hatte sich als geeignetes Verfahren herausgestellt, um zuverlässig
Material mit völlig rekristallisierten Gefügen herzustellen. Um die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens zu erhöhen, sollte das Verfahren nun auf das Umformen ganzer Ingots mit
Durchmesser 220 mm übertragen werden, wofür eine industrielle Presse mit einer Kapazität
von mindestens 30 MN erforderlich ist. Wegen des deutlich geänderten Wärmehaushalts der
viel größeren Rohlinge war eine Anpassung des verwendeten Kapseldesign erforderlich. Für
die Strangpressversuche wurden zwei unterschiedliche Matrizengeometrien gewählt, da für
die reine Strangpressroute Halbzeug mit rechteckigem Querschnitt optimal ist, während für
das Schmieden der Vorformscheiben zylinderförmiges Material benötigt wird.
Ein großer Vorteil des Strangpressverfahrens liegt darin begründet, dass die Umformtemperatur
oberhalb einer Minimaltemperatur beliebig gewählt werden kann und daher die Gefügeeinstellung
zwischen globularen und feinen lamellaren Gefügen variiert werden kann. Daher
wurden für die Strangpressungen unterschiedliche Temperaturen im ( + )- oder im -Gebiet
gewählt. Bei allen der bisher durchgeführten 6 Strangpressungen konnten völlig fehlerfreie
Stränge einer Länge zwischen 4 m und 8 m hergestellt werden (Abbildung 52). Die Gefüge
im extrudierten Material waren feinkörnig globular bzw. nahezu lamellar (Abbildung 53),
wobei die Streifigkeit nur gering ausgeprägt war. Dies ist auf die verbesserte chemische Homogenität
des Materials zurückzuführen, die von der Fa. GfE in Nürnberg inzwischen erreicht

103
wird. Insgesamt ist das Heißstrangpressen als wirtschaftliches und routinemäßig einsetzbares
Umformverfahren zu bezeichnen, mit dem völlig rekristallisierte, auf die jeweilige Herstellroute
angepasste Gefüge eingestellt werden können.
Abb. 52: Strangabschnitte der TNBV2-Legierung, die durch Strangpressen ganzer
Ingots hergestellt wurden.
Abb. 53: Gefüge nach dem Strangpressen von Ingotmaterial der TNBV2-Legierung
Für eine Strangpresstemperatur im ( + )-Gebiet (a) bzw. oberhalb der
-Transus-Temperatur (b).

104
Für die reine Strangpressroute war vorgesehen, durch mechanische Bearbeitung Rohlinge aus
den Strängen zu fertigen und aus diesen dann nach einer abschließenden Wärmebehandlung
durch elektrochemisches Senken die Verdichter-Laufschaufeln herzustellen. Dabei lässt sich
die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften in stranggepresstem Material nutzen. Obwohl
die Textur nach dem Strangpressen relativ schwach ist, hat sie eine signifikant höhere
Festigkeit und Bruchzähigkeit für eine Belastung in Strangpressrichtung zur Folge. Dies lässt
sich auf die ausgeprägte Anisotropie der lamellaren Gefüge zurückführen, die sowohl für Versetzungen
als auch für die Rissausbreitung starke Hindernisse darstellen.
Bei der Fa. Leistritz AG wurden geeignete Parameter für die mechanische Bearbeitung des
extrudierten Materials ermittelt, wobei ein beträchtlicher Aufwand erforderlich war, um ausreichende
Schnittgeschwindigkeiten für diesen hochfesten Werkstoff zu erhalten. Inzwischen
wurden Schaufelrohlinge mit einer Ausrichtung in Strangpressrichtung aus einigen Metern
extrudierten Materials gefertigt (Abbildung 54) und befinden sich zur Zeit in der Endbearbeitung
durch ECM (elektrochemisches Senken in Abschnitt: 1.3.4).
Abb. 54: Mechanisch gefertigte Schaufelrohlinge aus stranggepresstem
Material der TNBV2-Legierung.
Isothermschmieden:
Im Gegensatz zum Vorgängerprojekt wurde ein Stadiengang gewählt, mit dem sich im ersten
Schmiedeschritt bereits mehrere Rohlinge für das anschließende Fertigschmieden herstellen
lassen. Um den Stadiengang optimal auszulegen, wurden wieder alle Schmiedeschritte mit
FE-Rechnungen simuliert, wobei die gemessenen Fließkurven als Eingangsgrößen dienten.
Für das Schmieden der Mehrfach-Vorformen wurden dann zylindrische Rohlinge aus stranggepresstem
Material verwendet, die je einen Durchmesser und eine Höhe von 70 mm aufwiesen.
Diese ließen sich rissfrei in die Gesenke schmieden, wobei die Stege zwischen den

105
Schaufel-Vorformen auf eine Dicke von einigen Millimetern, d. h. bis auf Umformgrade von
mehr als 90 % in einem Schritt geschmiedet wurden (Abbildung 55).
Das Formänderungsvermögen des Materials ist unter den angewendeten Bedingungen also
ausgesprochen gut, was sicher auf die Feinheit und Homogenität des Gefüges im Ausgangsmaterial
dieser schwierig umzuformenden Legierung zurückzuführen ist. Nach dem Schmieden
wird eine weitere Zunahme der Homogenität des Gefüges festgestellt, das dann praktisch
völlig frei von der gewöhnlich in TiAl-Legierungen zu beobachtenden Streifigkeit ist (siehe
Abbildung 56).
Abb. 55: Geschmiedete Mehrfachvorform aus stranggepresstem Material der
TNBV2-Legierung.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind in diesem noch laufenden Vorhaben noch keine Schaufeln
geschmiedet worden. Vorversuche zum Schmieden an der TU Dresden zeigten, dass mit
CFC-Gesenken eine sehr gute Maßhaltigkeit zu erzielen ist und das angestrebte Präzisionsschmieden
möglich sein sollte. Weiterhin zeigten diese Versuche, dass mit CFC-Gesenken die
Schmiedetemperatur noch beträchtlich erhöht werden kann. Dies ist im Hinblick auf das
Schmieden der Vorformscheiben interessant, da hier die Maximalkraft der Presse erreicht
wird. Inzwischen liegt ein von der TU Dresden hergestelltes CFC-armiertes Gesenk bei Thyssen
vor und das Schaufelschmieden kann nun mit diesem Gesenk durchgeführt werden.

106
Abb. 56: Gefüge nach dem Schmieden von stranggepresstem Material
der TNBV2-Legierung.
2.1.4.3. Perspektiven
Obwohl das Vorhaben noch nicht abgeschlossen ist, haben die bisher entwickelten Umformtechnologien
bei Anwendern Interesse gefunden. Die Fa. Thyssen Umformtechnik Turbinenkomponenten
GmbH hat von einem Flugturbinenhersteller eine Anfrage über das Schmieden
einer großen Zahl von Niederdruckturbinenschaufeln einer Länge von 230 mm erhalten. Ein
erteilter Auftrag könnte mit der heute vorliegenden Technologie erfüllt werden. GKSS hat
bislang Industrieaufträge im Umfang von insgesamt mehreren 100 TDM durchgeführt bzw.
erhalten, in denen für verschiedene Firmen hochfeste Legierungen der 3. Generation zu
stranggepresstem Halbzeug verarbeitet wurden. Es kann in jedem Fall festgehalten werden,
dass die nun weit fortgeschrittenen Umformtechnologien eine wesentliche Voraussetzung für
den Einsatz von hochbeanspruchten sicherheitsrelevanten Bauteilen aus TiAl-Legierungen
darstellt.
2.1.4.4. Veröffentlichungen
M. Oehring, U. Lorenz, F. Appel, D. Roth-Fagaraseanu, in: Structural Intermetallics 2001,
hrsg. v. K.J. Hemker, D.M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, J.M. Larsen, V.K.
Sikka, M. Thomas, J.D. Whittenberger (TMS, Warrendale, PA, 2001), S. 157.
D. Roth-Fagaraseanu, S. Jain, W. Voice, A. Se, P. Janschek, F. Appel, in: Structural Intermetallics
2001, hrsg. v. K.J. Hemker, D.M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui,
J.M. Larsen, V.K. Sikka, M. Thomas, J.D. Whittenberger (TMS, Warrendale, PA, 2001),
S. 241.

107
J. Lindemann, D. Roth-Fagaraseanu, L. Wagner, in: Structural Intermetallics 2001, hrsg.
v. K.J. Hemker, D.M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, J.M. Larsen, V.K. Sikka,
M. Thomas, J.D. Whittenberger (TMS, Warrendale, PA, 2001), S. 323.
V. Güther. R. Joos, H. Clemens,in: Structural Intermetallics 2001, hrsg. v. K.J. Hemker,
D.M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, J.M. Larsen, V.K. Sikka, M. Thomas,
J.D. Whittenberger (TMS, Warrendale, PA, 2001), S. 167.
F. Appel, M. Oehring, J.D.H. Paul, U. Lorenz, in: Structural Intermetallics 2001, hrsg. v..
K.J. Hemker, D.M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, J.M. Larsen, V.K. Sikka,
M. Thomas, J.D. Whittenberger (TMS, Warrendale, PA, 2001), S. 63.
U. Brossmann, M. Oehring, F. Appel, in: Structural Intermetallics 2001, hrsg. v. K.J.
Hemker, D.M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, J.M. Larsen, V.K. Sikka, M.
Thomas, J.D. Whittenberger (TMS, Warrendale, PA, 2001), S. 191.
U. Brossmann, M. Oehring, U. Lorenz, F. Appel, H. Clemens, Z. Metallkd. 92, 8 (2001).
U. Lorenz, M. Oehring, F. Appel, in: EUROMAT 2001, Symp. Intermetallics, veröffentlicht
als CD (Associazione Italiana di Metallurgia, Mailand, 2001).

108
3. Bewertungen des Einsatzes von TiAl-Bauteilen
3.1. Zulieferindustrie
Thyssen:
L.Knippschild, P.Janschek, ThyssenKrupp Automotive AG
Bei unseren Überlegungen zum Einsatz von TiAl-Bauteilen gehen wir von einer deutlichen
Zunahme des Individual- und Luftverkehrs in den nächsten Jahren aus. Vor diesem Hintergrund
sind wir als ein bedeutender Zulieferant der Automobil- und Luftfahrtindustrie bestrebt,
einen entsprechenden Beitrag zur Reduzierung der Schadstoffemission zu leisten. Konkret
wollen wir mit der Weiterentwicklung von neuen Werkstoffen unsere technischen Möglichkeiten
einsetzen, um der steigenden Kohlendioxydemission entgegen zu wirken und auch die
Ressourcen fossiler Brennstoffe zu schonen, so dass auf diese Weise der Verbrauch in Triebwerken
und Kraftfahrzeugen weiter deutlich gesenkt werden kann. Durch den Einsatz von
TiAl-Bauteilen im Kraftfahrt- und Luftfahrtbereich sehen wir gute Chancen zur konsequenten
Umsetzung des allgemein geforderten Leichtbauprinzips.
Die intermetallischen γ-Titanaluminide besitzen hervorragende spezifische Materialeigenschaften
(E-Modul, Dichte, hohe Materialfestigkeit und Streckgrenze) und sind daher als
Konstruktionswerkstoffe im Motoren- und Triebwerksbau bestens geeignet. Der Einsatz
von γ-TiAl-Werkstoffen führt, wie schon vielfach erörtert, neben der Senkung des Treibstoffes
und der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit auch zu einer signifikanten Verbesserung der
Laufeigenschaften von Motoren.
γ-TiAl-Legierungen eignen sich sowohl als Schmiedelegierungen für Pleuel in Otto- und Dieselmotoren
als auch für Schaufeln im Verdichterteil der fliegenden Gasturbine. Mit dieser
neuartigen Werkstoffgruppe bietet sich die Möglichkeit bisherige konventionelle Werkstoffe
durch Leichtbaukonstruktionen zu ersetzen bzw. in der Luft im Turbinenbau teure und schwere
hochwarmfeste Werkstoffe in der Gasturbine zu substituieren.
Die Entwicklung von wirtschaftlichen Herstellverfahren für TiAl-Bauteile in der Automobil-
und Luftfahrtindustrie wird zur Zeit in Deutschland sehr intensiv betrieben, ebenso in England
und den USA. Der in Deutschland erworbene Entwicklungsstand ist weltweit führend.
Aufgrund neuerer Erkenntnisse im Herstellungsprozess ist diese Werkstoffgruppe in neuester
Zeit international in das besondere Blickfeld gelangt. So zeigt sich bereits jetzt ein erhebliches
Substitutionspotenzial für Stahlventile durch γ-TiAl-Ventile, die sowohl in einem neuen,
weltweit noch nicht existierenden Gießprozess als auch Schmiedeprozess erstellt werden.
Bei ThyssenKrupp wurden in den letzten acht Jahren erfolgreiche Entwicklungen auf dem
Gebiet der Umformung von TiAl für Luftfahrtteile in Angriff genommen und erfolgreich abgeschlossen.
Für diese Teile konnte das Werkstoffpotenzial durch angepasste Schmiedeverfahren
erstmalig erschlossen und zusammen mit dem Kooperationspartner Rolls Royce für
Bauteile im Verdichterteil der fliegenden Turbine evaluiert werden.
Wir haben in unserem Werk in Remscheid für die Umformung von Bauteilen aus TiAl-
Legierungen nach erfolgreicher Durchführung verschiedener Entwicklungsvorhaben in einem
derzeit laufenden Vorhaben nunmehr die Serienreife erlangt. TUT hat bisher 250 isotherm
geschmiedete Hochdruckverdichterschaufeln an RR Deutschland geliefert. Aus der Luftfahrt-

109
industrie liegen konkrete Anfragen nicht nur für relativ kleine Verdichterschaufeln (Blattlänge
ca. 30 mm), sondern auch für Niederdruck-Turbinenschaufeln mit Blattlängen um 200 mm
vor. Ferner scheinen Laufschaufeln für stationäre Gasturbinen durch ein „upscaling“ der bisher
entwickelten Technologie im Zeithorizont von ca. 5 Jahren machbar.
Weiterhin wurden bereits ca. 1000 Auslassventile zum Einsatz im Formel 1-Rennsport für
einen amerikanischen Kunden isotherm geschmiedet, die sich im Einsatz außerordentlich gut
bewährt haben.
Eine weitere Verbreitung von TiAl-Bauteilen wird sicherlich von einer drastischen Verringerung
des Vormaterialpreises abhängen. Ausschlaggebend ist dabei eine preiswerte Konvertierung
der gegossenen Billets zu Vormaterial mit umformbaren Gefüge, die im Labormaßstab
schon existiert (Zug-Druck-Torsion statt Strangpressen).
TRW:
K. Segtrop, H.-J. Laudenberg, TRW Deutschland GmbH Barsinghausen
TRW Deutschland GmbH, als Hersteller von Motorenteilen, insbesondere Ventilen, hat sich
den Anforderungen der Automobilindustrie nach leichteren Bauteilen schon seit vielen Jahren
gestellt. Ein bedeutender Schritt wurde bereits mit Stahlventilen erzielt, die im PKW- Bereich
in der Serie in den vergangenen 20 Jahren von 8 mm auf inzwischen 6 bzw. teilweise schon 5
mm im Schaftdurchmesser reduziert und damit im Gesamtgewicht um mehr als 60% verringert
wurden.
Trotz erheblicher Gewichtseinsparungen sollen die Leistungsfähigkeit sowie die Zuverlässigkeit
der entsprechenden Bauteile ständig gesteigert werden. Im Bereich der Motorkomponenten
sind insbesondere die Aspekte der Kraftstoffverbrauchsreduzierung, der Geräusch- und
Reibungsverminderung und der Reduzierung der CO2–Emissionen durch höhere Verbrennungstemperaturen
von besonderer Bedeutung.
Im Rahmen der Entwicklung neuartiger Ventilsteuerungen stehen kurz- oder mittelfristig bezüglich
bewegter Massen und Reibleistung optimierte Systeme im Vordergrund der weiteren
Motorentwicklungen. Längerfristige Entwicklungsprojekte können das Prinzip der mechanischen
Ventilbetätigung ablösen. So gewinnt beispielsweise der elektromagnetische Ventiltrieb
zunehmend an Bedeutung. Für die genannten Konzepte stellt die Reduzierung des Bauteilgewichts
einen wichtigen Beitrag dar. Das Interesse an leichten Ventilen hat unter den zuvor
genannten Aspekten in den vergangenen Jahren stark zugenommen.
Der Werkstoff TiAl mit seiner geringen Dichte bei gleichzeitig guten Festigkeits- bzw.
Warmfestigkeitseigenschaften steht seit vielen Jahren als Werkstoff für Auslassventile im
Vordergrund des Interesses, wobei verschiedene Wege der Herstellung und Verarbeitung dieses
Werkstoffs bis hin zum fertigen Bauteil beschritten wurden. Eine sehr erfolgversprechende
Route der Herstellung von Ventilen ist das Schleudergießen unter Vakuum mit gerichteter
Erstarrung. Gegenüber den bisher bekannt gewordenen Gussverfahren soll auf die nachgeschaltete,
sehr teure HIP(Heißisostatisches Pressen)-Behandlung zur Beseitigung von Poren
und Schrumpflunkern verzichtet werden. Gegenüber der Herstelltechnologie durch Anstauchen
und Schmieden stellt sich der Schleudergussprozess bislang kostengünstiger dar.

110
In einem ersten Projekt, in dem nach diesem Prinzip Gussrohlinge im Labormaßstab hergestellt,
anschließend bearbeitet und in Motoren erprobt wurden, konnte bereits die Eignung und
erfolgreiche Prüfung von Werkstoff und Herstellverfahren nachgewiesen werden.
Die in der Laboranlage hergestellten Ventilrohlinge wurden mechanisch fertigbearbeitet (Abbildung
57) und anschließend beschichtet (Abbildung 58).
Abb. 57: Bearbeitete Ventile Abb.58: Mittels PVD-Technologie
beschichteter Ventilschaft
Getestet wurden die Ventile in einem 4-Zylinder/4-Ventil-Motor mittels eines 500 h-Volllastlaufes.
Die auf der Auslassseite eingesetzten, ungeHIPten TiAl-Ventile zeigten nach diesem
als sehr anspruchsvoll geltenden Testlauf ein sehr gutes, verschleißfreies Aussehen am
Schaft und am Sitz (Abbildungen 59 und 60).
Abb. 59: Gelaufene TiAl-Ventile (500 h) Abb. 60: Ventilsitz eines TiAl-Ventiles
(Laufzeit 500 h)

111
Im Rahmen eines Anschlussprojektes soll ein bedeutender Schritt hin zu einer industriellen
Serienfertigung unternommen werden. Die Funktion einer dazu konzipierten und erstellten
Anlage zum Gießen der Rohlinge ist inzwischen nachgewiesen. Ein Dauerbetriebsnachweis
für diese Anlage steht kurz bevor. Die Qualität der hergestellten Versuchsbauteile bestätigt
die gewonnen Erkenntnisse aus der Laboranlage. Durch weitere Optimierungsschritte bei der
Anlagentechnik und den Prozessparametern sind noch deutliche Verbesserungen der
Ventilrohlingsqualität zu erwarten.
Konventionelle Stahlventile sind zum Verschleißschutz oftmals am Schaftende gehärtet, am
Schaft verchromt und am Sitz gepanzert. Abhängig vom Motortyp und vom verwendeten
Ventiltrieb müssen auch bei TiAl-Ventilen Maßnahmen zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit
angewendet werden. An Verbesserungen wie z.B. durch Reibschweißen (härtbares
Schaftende, Abbildung 61) und Varianten der Beschichtung (z.B. CrN-Schichten, aufgekohlte
Schichten, usw.) wird seitens TRW ständig gearbeitet, um zu dauerfesten Lösungen in den
unterschiedlichsten Motoren zu gelangen. Hierbei stehen Motoren im Vordergrund, deren
Leistung und Effizienz durch höhere Drehzahlen gesteigert werden sollen.
Abb. 61: Reibschweißverbindung TiAl/ Ventilstahl
Längerfristig ist darüber hinaus der Einsatz in Motoren mit nockenwellenfreien Ventiltrieben
von Bedeutung und Erfolg versprechend.
Ein weiterer Schwerpunkt, an dem TRW mit den Projektpartnern intensiv arbeitet, ist eine
Wirtschaftlichkeitsanalyse mit besonderem Augenmerk auf die Kosten für TiAl-Ventile. Bedingt
durch die hohen Anlagen- und Werkstoffkosten sind die derzeitigen Kosten gegenüber
Stahlventilen deutlich höher. Die Fertigungstechnologieentwicklung unter ökonomischen Gesichtspunkten
ist die Grundlage für eine entsprechende Ausbreitung auf dem Automobilmarkt.
Die höheren Werkstoffkosten können jedoch abhängig von der Ventilausführungsform
durch die Einsparung von Bearbeitungsschritten z.T. kompensiert werden.
Allen Beteiligten ist bewusst, dass eine Umsetzung des erfolgreichen Projektes in die industrielle
Praxis, d.h. der Serieneinsatz in Fahrzeugmotoren, auch eine Kostenstruktur erfordert,
die mit Alternativlösungen konkurrieren kann.

112
Insbesondere erfüllt diese Technologie die Wünsche der Automobilindustrie bezüglich leichter
Auslassventile für zukünftige Motorgenerationen.
Bei positivem Abschluss des Projektes sind alle Möglichkeiten vorhanden, TiAl-Ventile, die
gemäß dieser Technologie hergestellt werden, in den Großserieneinsatz zu bringen, wobei
noch Optimierungen bezüglich Verfahren, Beschichtungs- und Verschleißtechnologie möglich
sind.
Plansee:
M. Krehl, Sinterstahl GmbH Füssen; G. Kneringer, Plansee AG/Technologiezentrum Reutte
Der Transfer der Pilotanlage von -TiAl-Motorkomponenten aus dem F&E-Bereich in Reutte
(Technologiezentrum) zur Sinterstahl GmbH in Füssen ist im März 2002 erfolgreich abgeschlossen
worden. Wir liefern bereits serienmäßig die ersten an diesem Standort gefertigten
Produkte (Ventile für Hochleistungsmotoren) an Kunden aus. Die dabei verantwortliche Fertigungs-,
Marketing- und Vertriebsmannschaft hat inzwischen gemäß unserer Wachstumsziele
eine Größe von ca. 20 Personen erreicht.
Da sowohl die Produktpalette erweitert als auch die Größe der jeweiligen Lieferlose gesteigert
werden sollen, werden noch beträchtliche Verfahrens- und Kapazitätsanpassungen notwendig
sein, so dass die endgültige Größe dieser neuen Fertigungseinheit frühestens in 2 bis 3 Jahren
erreicht werden kann.
Wir gehen davon aus, dass bei erwarteter Entwicklung der Geschäftszahlen in diesem Zeitraum
zumindest 50 neue Arbeitsplätze geschaffen werden können. Da die Basis für diese positive
Implementierung eines neuen Werkstoffes auch auf die Unterstützung durch das BMBF
innerhalb des MaTech-Projektes 03N3043C zurückzuführen ist, möchten wir uns bei allen
dafür verantwortlichen Stellen bedanken.
GfE:
V. Güther, GfE Metalle und Materialien GmbH, Nürnberg
Die Verfügbarkeit von innovativen Materialien nicht nur im Labormaßstab, sondern auch in
industriellen Dimensionen, hat entscheidenden Einfluss auf die Bereitschaft der Industrie,
derartige Werkstoffe kommerziellen Anwendungen zuzuführen. Die GfE Metalle und Materialien
GmbH hat sich seit 1994 intensiv mit der Herstellung von Werkstoffen auf der Basis
von -TiAl beschäftigt. Es stellte sich sehr schnell heraus, dass die einfache Übertragung von
Technologien zur Herstellung von Titanlegierungen im Fall von -TiAl-Legierungen nicht
zum Erfolg führt. Insbesondere die in diesem Ausmaß bislang nicht bekannten Anforderungen
an die chemische und strukturelle Homogenität von Ingotmaterialien erwiesen sich als sehr
ernste Barriere bei der Materialherstellung. Verschiedene bekannte Basistechnologien (Electron
Beam Melting (EBM), Plasma Arc Melting (PAM), Vacuum Arc Remelting (VAR))
wurden hinsichtlich ihrer Eignung für die Herstellung von Titan-Aluminiden untersucht.
Die aus qualitativen Gründen erfolgversprechendste VAR-Technologie wurde in Teilbereichen
der Prozesstechnik neu entwickelt und an die Besonderheiten des intermetallischen
Werkstoffs angepasst. Die wesentlichen Entwicklungsergebnisse wurden dabei im Rahmen
von BMBF Verbundforschungsprojekten erarbeitet. So konnten zum Beispiel die lokalen
Schwankungen des Aluminiumgehaltes in industriellen Ingots auf Werte von kleiner als +/-

113
0,5 at.-% reduziert werden. Auch die in der Literatur häufig beschriebene
Seigerungsproblematik von Legierungsbestandteilen (Nb, Mo, Ta u.a.) wurde überwunden.
Die GfE Metalle und Materialien GmbH hat weltweit als erstes Unternehmen die Herstellung
von -TiAl-Ingotmaterialien für Umform- und Gussanwendungen in den industriellen
Maßstab überführt und ist heute dementsprechend uneingeschränkter Markt- und
Technologieführer. Die Ingots werden gemäß Kundenspezifikation hergestellt. Das
entsprechend der Norm DIN EN ISO 9001:2000 zertifizierte Qualitätssicherungssystem
gestattet die durchgängige Prozesskontrolle beginnend mit den Rohstoffen bis hin zur
Endlegierung. Bezüglich der Legierungszusammensetzung bestehen mittlerweile Erfahrungen
auf der Basis von mehr als 50 verschiedenen -TiAl-Legierungen, die kundenspezifisch in
verschiedenen Ingot-Abmessungen hergestellt werden können.
Der gegenwärtig schnell wachsende Markt für -TiAl-Ingotmaterialien stellt bereits wieder
neue Herausforderungen an die Werkstoffproduzenten. Zur Lösung der zukünftigen Aufgaben
entwickelt GfE speziell auf -TiAl angepasste neuartige Schmelztechnologien, die
insbesondere durch Erhöhung der Produktivität und der damit verbundenen Kostensenkung
dazu beitragen sollen, den Hochleistungswerkstoff -TiAl möglichst breiten Anwendungen
zuzuführen.
3.2. Automobilindustrie
Audi:
B. von Großmann, AUDI AG Ingolstadt
Die weltweiten Rahmenbedingungen für den Fahrzeugbau ändern sich mit der Energieverfügbarkeit,
dem Energiepreis, der Rohstoffverfügbarkeit, und durch Umwelteinflüsse. Die steigenden
Anforderungen an die Automobilhersteller insbesondere durch Gesetze und Verordnungen
hinsichtlich Abgasemissionen und Kraftstoffverbräuche, aber auch durch steigende
Ansprüche der Kunden verlangen von den Automobilherstellern zunehmende Anstrengungen,
diese Ansprüche zu erfüllen. Entscheidende Entwicklungsziele für die Automobilhersteller in
der Zukunft sind 1 :
der Einsatz von energiesparenden Materialien und Fertigungsverfahren
die Verringerung der translatorischen und rotatorischen Massen
die Reduzierung der Fahrwiderstände
die Verbesserung der Fahrzeugverfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Langzeitverhalten
die Recyclingfähigkeit der verwendeten Werkstoffe
die Steigerung des Fahrkomforts.
Eine Schlüsselrolle bei der Erreichung dieser Entwicklungsziele nimmt die Werkstoff- und
Verfahrensentwicklung ein, sie ist der Treiber für künftige Produktinnovationen.
Einer der Schwerpunkte in der Werkstoffentwicklung für den Fahrzeugbau ist die Entwicklung
von Werkstoffen für thermisch und mechanisch hochbelastete Bauteile wie z.B. Ventile,
Kolben, Pleuel oder Abgaskomponenten. Ziel ist die Reduzierung der oszillierenden und rotierenden
Massen und damit eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Weiterhin kann durch
1 Haldenwanger, H.-G. Zum Einsatz alternativer Werkstoffe und Verfahren im konzeptioneller Leichtbauvon
PKW-Rohkarrosserien, Dissertation TU Dresden /ILK (1997)

114
den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen bei Höchstleistungsmotoren das Leistungsspektrum
des Motors nochmals gesteigert werden.
Besonders die Legierungen auf Basis der Titanaluminide sind aufgrund ihrer niedrigen Dichte
(ς = 3,8 g/cm 3 ), ihrer hervorragenden Hochtemperaturbeständigkeit und ihres sehr hohen spezifischen
E-Moduls besonders geeignet für die Anwendung bei höchstbelasteten Bauteilen.
Mögliche Bauteile, die für den Einsatz von TiAl in Frage kommen, sind z.B.: Ventile, Kolben
oder Abgasturbinenräder.
TiAl-Bauteile können zum einen durch verschiedene Gießverfahren (z.B. Feinguss oder
Schleuderguss) oder Strangpressen hergestellt werden. Während sich das Gießen vor allem
für geometrisch komplexe Bauteile in near-netshape-Geometrie eignet, ist das Strangpressen
besonders für Bauteile, die sehr hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, ideal, da
durch die hohe Gefügehomogenität nach dem Strangpressprozess sehr hohe Festigkeiten erreicht
werden können.
Gerade bei der Entwicklung von leichten Ventilen gab es in den letzten Jahren verstärkte Aktivitäten
mit dem Ziel die Ventilmasse zu reduzieren. Beispielhaft für diese Anstrengungen
seien hier die Entwicklung der Keramikventile auf Basis von Siliziumnitrid, die Entwicklung
von Blechventilen und die Entwicklung von Ventilen aus Titanlegierungen genannt. Die Vorteile,
die leichte Ventile im Motorenbau bieten, werden derzeit schon im Rennsport durch den
Einsatz von Titan-Ventilen genutzt. Ziel der Entwicklung muss es sein, die ausgewiesenen
Vorteile von Leichtbauventilen auch für Serienfahrzeuge nutzen zu können.
Auch die Entwicklungsaktivitäten zum Einsatz von TiAl als Werkstoff für Auslassventile von
Verbrennungsmotoren sind bereits weit fortgeschritten. In vielen Publikationen wurde bereits
die Eignung von TiAl als Werkstoff für Ventile positiv beschrieben. So kann durch den Einsatz
von TiAl Ventilen eine Reduktion der Ventilmasse von ca. 50 % erreicht werden, wodurch
es möglich ist den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und eine deutlich Leistungssteigerung
über die Erhöhung des maximalen Drehzahlbereichs eines Aggregats zu erreichen.
Durch die Reduktion der Ventilmasse können weitere weitreichende Gewichtsreduktionspotenziale
im gesamten Bereich des Zylinderkopfes erschlossen werden. Auch im Hinblick auf
die Realisierung von neuen Motorenkonzepten, wie z.B. der Einsatz eines vollvariablen Ventiltrieb
mit einer direkten Ansteuerung der Ventile ist eine Reduktion der Ventilmassen notwendig.
Entscheidend für den Serieneinsatz von Titanaluminiden im Automobilbau wird neben der
Frage der technischen Realisierbarkeit auch die Frage der mit dem Einsatz der Legierung verbundenen
Kosten sein. Hierbei zeigt besonders das vom BMBF geförderte Projekt zur Herstellung
von TiAl-Ventilen mit einem optimierten Schleudergussverfahren einen Weg auf, auf
dem Bauteile aus Titanaluminiden zu einem konkurrenzfähigen Preis angeboten werden können.
Das Potenzial für eine Einführung der Technologie in einen Großserienprozess ist aus
heutiger Sicht gegeben.
Im Hinblick auf eine Serienfertigung von TiAl-Komponenten erhält der Aspekt einer gesicherten
und vor allem preisgünstigen Fertigungstechnologie eine Schlüsselfunktion bei der
wirtschaftlichen Nutzung und Akzeptanz dieses neuen Strukturwerkstoffes. Ziel bei der Entwicklung
von kostengünstigen Herstellungsverfahren muss die Vermeidung von überflüssigen
Zerspanaufwand durch endkonturnahe Formgebung über near-netshape-Verfahren sein, wie
es bei der Herstellung von TiAl-Ventilen über das Schleudergussverfahren bereits vorbildlich

115
umgesetzt wird. Im Zerspanverhalten zeigt TiAl ein im Vergleich zu anderen im Automobilbau
eingesetzten Hochtemperaturwerkstoffen ein deutlich differenziertes Verhalten. Hier
neigt der relativ spröde Werkstoff zu Ausbrüchen oder zu Bildung von Oberflächendefekten.
Bearbeitungsprozesse sind daher so auszulegen, dass ungünstige Randzonenstrukturen unter
Einbringung von Vorschädigung durch Risse vermieden werden.
Ein weiterer Aspekt, der für zukünftige Anwendungen im Automobilbau noch weiterer Untersuchungen
bedarf, sind die relativ schlechten tribologischen Eigenschaften von Titanaluminiden.
Hier ist eine Neu- bzw. Weiterentwicklung von geeigneten Oberflächenbeschichtungen
insbesondere auch von nanostrukturierten Oberflächen von Bedeutung, die an die jeweilige
spezielle tribologische Belastung des Bauteils angepasst ist.
Abschließend kann gesagt werden, dass der Werkstoff Titanaluminid, bei entsprechender Lösung
noch offener Problemfelder, ein hohes Potenzial aufweist, als alternativer Leichtbauwerkstoff
für höchst belastete Bauteile im Fahrzeugbau eingesetzt zu werden.
BMW:
C. Schäfer, BMW AG M, Vorentwicklung, Motor München
Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen bedarf es einer stetigen
Optimierung aller Bauteile eines Verbrennungsmotors.
Neben der Abgasnachbehandlung ist die Senkung der Rohemissionen durch die Optimierung
der Verbrennung und insbesondere durch die Reduzierung der bewegten Massen und der
Reibleistung ein zielführender Weg.
Hierzu bedarf es jedoch neuer Werkstoffe, die sich durch niedriges spezifisches Gewicht gepaart
mit hoher Festigkeit und gleichzeitiger guter Verarbeitbarkeit auszeichnen. Und das
alles zu akzeptablen Kosten.
Darüber hinaus ermöglichen sie, die Leistungsfähigkeit unserer Motoren zu erhöhen – ohne
dabei größere Aggregate bauen zu müssen.
Vom Werkstoff TiAl erhoffen wir uns im Bereich des Ventiltriebs und der Pleuelstange einen
weiteren Schritt in Richtung Reduzierung der Reibarbeit und der Massenträgheit gehen zu
können.
DaimlerChrysler:
H. Baur, DaimlerChrysler AG
Leichte, hochtemperaturbeständige Werkstoffe werden einen wesentlichen Beitrag für zukünftige
umweltfreundliche Motoren leisten. Dies begründet sich insbesondere durch die steigenden
Temperaturen und Drücke in den Verbrennungsräumen als auch durch die immer höher
werdenden Umdrehungszahlen der oszillierenden und rotierenden Komponenten. Die heute
zum Einsatz kommenden Metalle wie Stahl, Aluminium und Nickel-Basislegierungen sind
begrenzt in ihrer Hochtemperatureinsatzfähigkeit bei Motorkomponenten wie Ventile, Pleuel,
Kolben und Turboladerräder. Titanaluminium ist ein ernst zu nehmender Kandidat für die
Substitution dieser Serienwerkstoffe. Dabei zeichnet sich TiAl durch eine Kombination aus

116
guter Hochtemperaturfestigkeit und geringer Dichte aus, die den Serienwerkstoffen überlegen
ist. Bauteil- und Fahrversuche haben bereits in den letzten Jahren dieses Einsatzpotenzial bewiesen.
Der Werkstoff Titanaluminium hat heute einen technischen Reifegrad erlangt, bei der es um
die Absicherung des Serieneinsatzes geht. Dabei spielen unter anderem folgende Aspekte die
entscheidende Rolle:
- Verfügbarkeit des Ausgangsmaterials und des Halbzeugs (Industrieller Maßstab)
- Prozesssicherheit (Herstellungsverfahren)
- Werkstoffqualität bzw. Qualitätssicherung
- Kosten (Material- und Bauteilkosten)
- Recycling.
Ob TiAl sich als Motorenwerkstoff nachhaltig behaupten kann, hängt von mehreren Faktoren
ab:
In erster Linie geht es dabei um die Bauteilkosten. Die Preise für TiAl-Bauteile liegen heute
im Vergleich zu den Serienbauteilen um mindestens den Faktor 2 höher und bedürfen einer
bedeutenden Anstrengung in Richtung Kostensenkung. Dabei spielt der gesamte Fertigungsprozess
beginnend bei der Vormaterialherstellung bis hin zur Qualitätssicherung und Recycling
eine Rolle. Der Werkstoff Titanaluminium ist heute für etwa 50 €/kg auf dem Weltmarkt
erhältlich. Dies begründet sich in dem aufwendigen Herstellungsverfahren (1- 2-fach-
Lichtbogen-Umschmelzen – VAR), welches für eine ausreichend gute Werkstoffqualität notwendig
ist. Neue Legierungsherstellungsverfahren wie Kaltwand-Induktivumschmelzen direkt
aus den Ausgangselementen zeigen ein Potenzial, den Materialpreis deutlich nach unten
zu korrigieren, insbesondere dann, wenn das Bauteil aus der Ausgangsschmelze direkt abgegossen
werden kann.
Die in Frage kommenden Werkstoffhersteller als auch die Automobilindustrie haben diese
Rahmenbedingungen verstanden und entsprechende Anstrengungen bereits gestartet. In Kooperation
mit kompetenten Partnern aus Industrie und Forschung wird heute versucht, kosteneffiziente
Herstellungsprozesse des TiAl-Vormaterials und der TiAl-Bauteile zu entwickeln.
Es kann heute davon ausgegangen werden, dass in den kommenden 3 – 5 Jahren diese Hürden
genommen werden und eine Serienreife im industriellen Maßstab für oszillierende und rotierende
Motorkomponenten erreicht wird. Zusammenfassend kann die Prognose gestellt werden,
dass sich TiAl als Nischenwerkstoff in der Automobilindustrie durchsetzen wird.
Ford:
J. Wesemann, Ford Forschungszentrum Aachen GmbH
Die europäischen Automobilhersteller haben sich zu einer 25-prozentigen Reduzierung der
CO2-Emission von 1998 bis 2008 verpflichtet. Damit ist eines der Kernziele der Entwicklung
neuer Automobile, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen deutlich zu senken, erreicht.
Einen wesentlichen Beitrag zum Erreichen dieses Zieles wird der Antriebsstrang leisten.
Durch Auswahl geeigneter Werkstoffe und Verfahren lassen sich reibarme Schichten herstellen
und die Masse oszillierender Teile des Antriebsstrangs wird gesenkt. Der Einsatz von γ-
Titanaluminiden ist vor allem für Ventile und Turboladerrotoren interessant. Dass dieser
Werkstoff grundsätzlich für diese Komponenten geeignet ist, wurde bereits in Feldversuchen,

117
Kleinserien und im Rennsport nachgewiesen. Leichte Ventile können den Kraftstoffverbrauch
und die CO2-Emission auf vielfältige Art senken: die verringerten Massenkräfte ermöglichen
reduzierte Federkräfte und die Verwendung schmalerer und somit reibärmerer Lager. Nockenkonturen
lassen sich optimieren und weitere Ventiltriebskomponenten im Gewicht senken.
Daraus resultieren ein geringerer Kraftstoffverbrauch sowie ein geräuscharmer Ventiltrieb.
Werden die Federkräfte nicht verringert, dann ermöglichen leichte TiAl-Ventile höhere
Drehzahlen und unterstützen somit verbrauchsfreundliche „Down-Sizing-Konzepte“.
Neben dem Einsatz in Motoren mit konventionellem Ventiltrieb sind leichte Ventile ideal für
elektromagnetisch betätigte Ventiltriebe geeignet. Nach dem heutigen Wissensstand wird die
Einführung dieses Verbrauch und Emissionen reduzierenden Ventiltriebkonzepts erheblich
durch leichte Ventile unterstützt.
Leichte Ventile bieten ferner Vorteile für umweltfreundliche Gasmotoren. Durch reduzierte
Federkraft verschleißen die Ventilsitze deutlich weniger – ein Problem bei Gasmotoren.
Für Turboladerrotoren stehen Titanaluminide in Konkurrenz mit Nickelbasislegierungen. Das
deutlich niedrigere Gewicht von TiAl-Turboladern verbessert das Ansprechverhalten des Motors.
Somit reduzieren Titanaluminide das sogenannte "Turboloch" bei hochaufgeladenen
Motoren. Dieses Turboloch empfinden Kunden als störend. Genauso wie leichte Ventile unterstützen
daher TiAl-Turbolader verbrauchsgünstige „Down-Sizing-Konzepte“.
Welche Hürden müssen Titanaluminide zur weiten Verbreitung im Automobilbau nehmen?
Eine hohe Qualität muss auch bei der Herstellung großer Stückzahlen reproduzierbar sein,
und die Kosten von TiAl-Bauteilen müssen noch deutlich sinken. Auch Automobilhersteller
müssen die Entwicklung weiter vorantreiben: Das Potenzial von TiAl-Komponenten für verschiedene
Anwendungen muss quantitativ bestimmt werden. Das ist die Basis für die Entscheidung,
welche Kosten zum Beispiel für ein TiAl-Ventil oder einen TiAl-Turboladerrotor
akzeptabel sind.
Opel:
C. Schwärzel, Adam Opel AG, Internationales Entwicklungszentrum, Rüsselsheim
Bei der Motorenentwicklung spielt gerade die Ventiltriebauslegung im Hinblick auf
Verbrauchs- und Leistungsoptimierung eine entscheidende Rolle. Als Konsequenz bietet die
Verwendung von Leichtbauventilen anstelle von konventionellen Stahlventilen dem Konstrukteur
die Möglichkeit, auch weitere Ventiltriebteile, wie Ventilfeder, Nockenwelle, Ventilfederteller
usw., zu optimieren.
Die Optimierung kann in Richtung Leistungssteigerung (leichtere Ventile ermöglichen höhere
Ventilbeschleunigungen und Ventilhübe) oder Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch
Absenkung der Ventiltriebreibung (geringere bewegte Massen, niedrigere Ventilfederkräfte)
betrieben werden. Versuche mit gegossenen TiAl-Ventilen bei der Adam Opel AG haben eine
Reduzierung des Ventiltriebreibmomentes von ca. 20% gegenüber dem konventionellen Ventiltrieb
ergeben. Auslassventilen kommt zusätzlich die hohe Warmfestigkeit und Zunderbeständigkeit
zugute.Für eine breite Anwendung ist ein zuverlässiger Herstellungsprozess mit

118
gleichbleibender Qualität und ein konkurrenzfähiger Preis im Vergleich zu anderen Leichtbauventilen
oder z.B. zu Natrium gefüllten- oder Ni-Basis-Ventilen zwingend notwendig.
Beides scheint mit dem Schleudergießverfahren realisierbar. Eine eventuelle Markteinführung
ist zuerst in ”High Performance Motoren” zu erwarten.
3.3. Flugzeugindustrie
Rolls-Royce:
D. Roth-Fagaraseau, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG, Dahlewitz
Der Markt für zivile Luftfahrtantriebe ist auf Grund der großen prognostizierten Nachfrage in
nahezu allen Schubsegmenten stark umkämpft. Während in den oberen Schubklassen wegen
der meist langen Betriebszeiten im Reiseflug nach wie vor der Brennstoffverbrauch das entscheidende
Wettbewerbskriterium darstellt, wird der Wettbewerb in den mittleren und unteren
Schubsegmenten zunehmend über die Kriterien Preis, Wartungskosten, Lärm und Emissionen
entschieden. Um den genannten Anforderungen gerecht zu werden, muss in dem mittleren
Schubsegment, in dem Rolls-Royce Deutschland hauptsächlich aktiv ist, die Entwicklung von
Technologien vorangetrieben werden insbesondere in Richtung Zuverlässigkeit, Gewicht- und
Kostensenkung.
Werkstoffe auf der Basis von intermetallischen Titan-Aluminiden haben für einen Einsatz in
zukünftigen Triebwerkskonzepten das größte Potenzial, Ni-Superlegierungen für einige Anwendungen
zu ersetzen. Sie zeichnen sich durch eine höhere Anwendungstemperatur aus bei
einer Dichte, die nur die Hälfte der Ni-Basislegierungen beträgt.
Gusstechnologie:
Die Gusstechnologie wurde lange Zeit als die effizientere Methode zur Herstellung von TiAl-
Laufschaufeln im Bereich Niederdruck-Turbine gesehen. Das Nichterreichen eines Produktionsstandards
für die Gusstechnologie nach langjährigen und intensiven Entwicklungsarbeiten
sowohl in Europa als auch in USA hat immer mehr zur einer Einschränkung der Entwicklungsaktivitäten
auf diesem Gebiet geführt. Auch bei Rolls-Royce wurde in diese Technologie
massiv investiert, die zum Teil zu erfolgreichen Laboruntersuchungen bis hin zu Bauteiluntersuchungen
geführt hat.
Obwohl der Gussprozess als eine preiswerte Variante für die Herstellung von Bauteilen angesehen
wird, sind die Kosten für die TiAl-Technologie durch die überdurchschnittlich hohen
Ausschussraten zur Zeit nicht marktfähig. Der letzte Schritt zur einer stabilen Prozessführung
ist für eine Anwendung in diesem Bereich notwendig, wobei das Fehlen eines europäischen
Industriepartners für die Herstellung von Gusskomponenten als nachteilig angesehen wird.
Schmiedetechnologie
Parallel zur Entwicklung der Gussroute wurde bei Rolls-Royce vor allem in den letzten Jahren
die Schmiederoute als sehr attraktiv angesehen. Die Schmiederoute wurde lange Zeit aufgrund
der hohen Fliesspannungen als technologisch schwierig eingestuft. Für eine Anwendung
als Verdichterschaufel kommen aber aufgrund der hohen Anforderungen insbesondere
bezüglich der Schadenstoleranz nur Umformprozesse in Frage. Zusammen mit den Partnern

119
Thyssen und dem Forschungsinstitut GKSS wurde in einem vom BMBF geförderten Projekt
eine Machbarkeitsstudie zur Umformung von TiAl-Legierungen erfolgreich abgeschlossen.
Die Zusammenarbeit in diesem Projekt hat wesentlich dazu beigetragen, die relativ spröden
TiAl-Legierungen besser zu verstehen und neue Konzepte zur Auslegung solcher Teilen zu
entwickeln. Das Vorhaben hat deutlich gezeigt, dass die Prozessroute durch Umformen einen
vielversprechenden Weg zur Herstellung von Verdichterschaufeln darstellt. Gleichzeitig wurde
die Richtung zur weiteren Optimierung seitens Material und Prozessroute identifiziert. In
einem noch laufenden Folgeprojekt mit einer Industriebeteiligung, repräsentativ für die gesamte
Prozesskette, wird die Schmiedetechnologie intensiv in Richtung Serienproduktion
entwickelt und optimiert.
In den letzten Jahren wurden große Fortschritte erzielt, und die Technologie erreicht in qualitativer
Hinsicht allmählich Produktionsstandard. Die Umformprozesse wurden intensiv untersucht
und das Verständnis insbesondere im Umgang mit Heißrissen, internen Spannungen und
Gefügeeffekten verbessert. Parallel zu den Entwicklungen des Umformprozesses sind sowohl
im Bereich der Bearbeitung auf Endmaß als auch bei der zerstörungsfreien Untersuchung der
TiAl-Komponenten Fortschritte realisiert worden.
Demonstration und die Zukunft der TiA-Technologie
Durch die Erfolge bei der Entwicklung der Umformprozesse hat sich Rolls-Royce entschlossen,
die in diesem Vorhaben entwickelte Technologie für Verdichterschaufeln in einem sogenannten
Triebwerksdemonstrator zu validieren. Der Test ist für 2004 vorgesehen und wird als
Basis für zukünftige Triebwerkstechnologien betrachtet. Ein erfolgreiches Testen der TiAl-
Verdichterschaufeln in diesem Demonstrator stellt die Basis für eine Implementierung dieser
Technologie in aktuellen und zukünftigen Triebwerksgenerationen dar.
Parallel zu der Technologiedemonstration müssen aber weitere Investitionen entlang der Herstellungskette
betrieben werden, um sowohl die Prozesse als auch die Kosten in Richtung
Marktfähigkeit zu entwickeln.
MTU:
W. Smarsly, MTU Aero Engines GmbH München
Moderne Flugtriebwerke haben einen hohen Perfektionsgrad erreicht , insbesondere bezüglich
Zuverlässigkeit , Wartungsfreundlichkeit, Treibstoffverbrauch und Lärmemission. Die derzeitige
konstruktive Grundauslegung wird sich in den nächsten 5 bis 10 Jahren kaum ändern.
Dennoch gibt es Fortschritte, die auf beträchtlichen Detailverbesserungen auf zahlreichen
Gebieten basieren.
Der Wettbewerb zwischen den Triebwerksherstellern wird sich zukünftig vorwiegend auf der
Kostenseite abspielen. Die Hersteller bemühen sich um neue Möglichkeiten zur Verringerung
der Lebenswegkosten der Triebwerke bei gleichzeitiger Verbesserung der Leistung. Dies wird
erreicht durch konstruktive Verbesserungen, verbesserte Werkstoffe und durch optimierte
Fertigungsprozesse. Als verbesserte Werkstoffe mit höherer Festigkeit und/oder geringerem
Gewicht, werden TiAl-Strukturwerkstoffe für die hinteren Stufen der Hochdruckverdichter
und der Niederdruckturbinen entwickelt.

120
Der mittelfristig erwartete Einführungszeitpunkt ist davon abhängig, wie schnell für die neuen
TiAl-Strukturwerkstoffe/Bauweisen die erforderlichen Lebensdauermodelle, Qualitätssicherungskonzepte
und die hohe Stabilität der Herstellprozesse, wie Feingiessen und Schmieden
einschließlich der Endbearbeitung, bei akzeptablen Kosten erreicht werden.
Geschmiedete
Hochdruckverdichter-
Laufschaufel
Abb. 62: Mittelfristige Triebwerksanwendungen von Titanaluminiden
Feingegossene
Niederdruckturbinen-
Laufschaufel
Am Ende des Jahrzehnts können Triebwerke (Abbildung 62) mit erheblich geändertem
Grundkonzept zum Einsatz kommen. Diese Triebwerke haben ein Nebenstromverhältnis von
über 10, ein Getriebe zwischen der schnell-laufenden transsonischen Niederdruckturbine und
dem mit verstellbaren Schaufeln ausgestatteten großen Fan, sowie neuartige mehrstufige
Brennkammern für eine schadstoffarme Verbrennung. Mit diesen Triebwerkskonzepten sollen
folgende Ziele erreicht werden: Verminderung des Treibstoffverbrauchs um 20 % ,
Lärmminderung um 10 dBA sowie eine Reduktion der Stickoxide um 85 %.
Noch fortschrittlichere Triebwerkskonzepte, z.B. für Triebwerke mit Rekuperator-
Wärmetauscher werden für den Serieneinsatz ab 2015 entwickelt. Diese fortschrittlichen
Triebwerkskonzepte erfordern für ihre kritischen Komponenten eine langfristige Weiterentwicklung
von TiAl-Werkstoffen höchster Festigkeit und Temperaturbeständigkeit sowie von
Schutzschichten gegen Verschleiss, Oxidation und Korrosion.

4. Fazit
121
Von 1990 bis 2002 sind innerhalb der BMFT/BMBF-Werkstoffprogramme Matfo und
MaTech die Titanaluminid-Projekte mit insgesamt ca. 23,6 Mio. € gefördert worden. Während
1990 die Förderquote für die Industrieunternehmen bei 55% lag, reduzierte sich diese bis
1999 auf ca. 39%. Das wachsende Interesse der Industrie an den Forschungsergebnissen kann
daran abgelesen werden.
Die hochgesteckten Erwartungen aller Projektbeteiligten und des BMBF haben sich damit
voll erfüllt. Diese vorzeigbaren Ergebnisse können als ein gelungenes Beispiel dafür herangezogen
werden, dass eine nachhaltige staatliche Förderung von Forschung und Entwicklung in
Deutschland notwendig ist, strategische Technologiepositionen im internationalen Wettbewerb
zu begründen und eine Akzeptanz der nationalen Forscher im globalen Verbund zu sichern.
Das Innovationspotenzial dieses Werkstoffes hat den auf diesem Gebiete tätigen Groß-
und mittelständisch orientierten Unternehmen u. a. auch im Vergleich zu den USA eine Spitzenposition
verschafft. Es hat sich darüber hinaus auch gezeigt, dass stark risikobehaftete
Entwicklungsvorhaben erfolgreich umgesetzt werden können.
Es bleibt festzustellen, dass diese Spitzenleistung nur möglich wurde durch systematische
Untersuchungen der Werkstoffeigenschaften über einen für Materialentwicklungen üblichen
langen Zeitraum und der Korrelation der Ergebnisse mit der Prozesstechnologie.
Die an den Projekten beteiligten Partner haben erklärt und wiederholt bestätigt, dass ein derartiges
komplexes Vorgehen, das die Bündelung von Kompetenzen notwendig macht, nur in
Verbundforschungsprojekten mit staatlicher Förderung durch das BMBF möglich ist. Es
konnte beispielhaft für zukünftige in diese Richtung gehende Forschungsarbeiten aufgezeigt
werden, wie das Prinzip der Verbundforschungsprojekte, d.h. Einbindung der Firmen entlang
der Wertschöpfungskette mit begleitenden Forschungseinrichtungen, zum Erfolg der Arbeiten
über einen langen Zeitraum beigetragen hat.
Die über 15 Jahre andauernde, staatlich geförderte Entwicklung der Titanaluminide in
Deutschland führte zum Durchbruch einer völlig neuen Werkstoffklasse. Dabei spielte
neben der Legierungsentwicklung die Einführung neuer, verbesserter Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren
eine große Rolle. Gekoppelt an die Bauteile „Ventile“ für Verbrennungsmotoren
und „Flugturbinenschaufeln“ wurden in Deutschland die TiAl-Legierungen auf
den Weg gebracht. Es ist ein Paradebeispiel für eine erfolgreiche interdisziplinäre Zusammenarbeit
von Werkstoffwissenschaftlern, Physikern, Chemikern, Metallurgen, Anlagenbau-
und Maschinenbauingenieuren. Zur Zeit sind überwiegend Marketingfachleute gefragt, damit
diese neue Werkstoffgruppe in andere Anwendungsgebiete Eingang findet und weiterentwickelt
wird.
Ein Vergleich der zur Zeit verfügbaren metallischen Hochtemperaturwerkstoffe erinnert an
die ca. 60 jährige Entwicklungsgeschichte der Superlegierungen. Die Legierungs- und
Prozessentwicklung der Superlegierungen steht im engen Zusammenhang mit der Einführung
der Flugzeuggasturbine Anfang der vierziger Jahre und der heute noch andauernden Weiterentwicklung
der stationären und fliegenden Gasturbinen infolge der geforderten höheren Turbineneintrittstemperaturen
und der daraus resultierenden Wirkungsgradsteigerung (in hochtemperaturbeanspruchten
Gasturbinenbauteilen werden heute überwiegend Nickel-Basis-
Superlegierungen eingesetzt). Systematische Entwicklungsschritte führten dazu, dass die
Temperaturbeanspruchungsgrenzen der Superlegierungen sich weitgehend dem Schmelzpunkt
näherten (siehe Tabelle 6). Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass zukünftig bei den Superlegie-

122
rungen nur noch kleine Entwicklungsschritte zu erwarten sind, jedoch steht zur Zeit noch kein
alternativer Werkstoff für den Hochtemperaturbereich zur Verfügung. Aber es ist auch erkennbar,
dass vergleichsweise bei den Titanaluminiden die Temperaturbeanspruchungsgrenzen
noch nicht ausgeschöpft sind, d.h. die Legierungs- und Prozessentwicklungen der Titanaluminide
müssen fortgesetzt werden.
Legierungen
Ni-Basis-Superlegierungen *
(einkristallin)
-Titanalumide:
Legierung der 2. Generation:
Legierung der 3. Generation:
(TNB),(TNC)
Dichte
in g/cm 3
8,0 bis 8,6
ca. 3,9
Schmelzpunkt
in °C
1280 bis 1360
ca. 1480
Tabelle 6: Beanspruchungsgrenzen von -Titanaluminiden und Nickel-Basis-
Superlegierungen
(* persönliche Mitteilung, Fa. Siemens)
Maximale Einsatz-
temperatur in °C
Industriegasturbinen:
bis 1000
Flugzeuggasturbinen:
bis 1100
ca. 700
ca. 800
Durch die BMBF-Förderung der -TiAl-Ventile ist folgender messbarer Entwicklungsstand
erreicht worden (Übersicht: Abbildung 63):
- ein weltweit neuer wirtschaftlicher Herstellungsprozess gegossener Ventile für
große Stückzahlen ist in der Probephase (Pilotanlage bei ACCESS in Aachen),
- in der Pilotanlage können ab dem nächsten Jahr 2400 Ventile pro Tag hergestellt werden;
Kosten-Nutzen-Analysen werden direkt von der Automobilindustrie vorgenommen,
- die Voraussetzung für einen großtechnisch, später hochskalierbaren Massenherstellungsprozess
wird geschaffen; mehrere Firmen stehen für Investitionsentscheidungen
bereit, in absehbarer Zeit werden dadurch neue Arbeitsplätze geschaffen,
- das Institut ACCESS, als gemeinnütziges Forschungszentrum an der RWTH Aachen,
konnte seine Kapazitäten zur Material- und Prozessentwicklung im industriellen Maßstab
erheblich ausbauen, in einem neu angemieteten Technikum entstehen neue Arbeitsplätze
an der Schnittstelle: wissenschaftliche Erkenntnisse – industrielle Anwendung,
- die Umsetzung der F+E-Ergebnisse bzgl. der über die Umformroute hergestellten Ti-
Al-Ventile hat die österreichische Firma Plansee übernommen und in Deutschland eine
Serienproduktion aufgebaut, Plansee wird die Anzahl der damit zur Zeit in
Deutschland geschaffenen neuen Arbeitsplätze (ca. 20) in nächster Zeit wesentlich erhöhen,
- mit der Firma GfE hat sich in Deutschland ein heute weltweit führender Hersteller von
-TiAl-Ingotmaterialien für Umform- und Gussanwendungen etablieren können, ob-

123
wohl, wirtschaftlich bedingt, sich die gängigen Materiallieferanten (z.B. von Superlegierungen,
Aluminiumlegierungen u.a.) in den USA befinden und Marktführer sind,
- das bei der Firma ThyssenKrupp im Werk Remscheid erarbeitet Know how bezüglich
des Schmiedens von TiAl-Turbinenschaufeln wurde genutzt und das Verfahren auf die
Herstellung von Ventilen übertragen, ein Kunde wird mit geschmiedeten Ventilen beliefert.
Zur Kostenfrage von TiAl-Ventilen ergibt sich folgende Einschätzung:
Mit der Anwendung eines modifizierten Kaltwandinduktionstiegels zum Erschmelzen der
TiAl-Legierungen in der Pilotanlage bei ACCESS wurde ein völlig neuer Weg beschritten,
um das bisher praktizierte und notwendige dreimalige Umschmelzen der TiAl-Legierungen
auf einen Arbeitsgang zu minimieren. Es werden daher zukünftig große Kosteneinsparungen
für Bauteile aus Titanaluminiden beim Vormaterial – dem Hauptkostenfaktor - erwartet. An
der Lösung des Problem wird intensiv weiter gearbeitet, da sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt
der Preis der TiAl-Ventile am oberen Ende des von der Automobilindustrie akzeptierten
Preissegmentes bewegt. Hierbei sollte an die Entwicklung und Herstellung der Keramikventile
erinnert werden. Vergleichsweise war der zu hohe Preis das „Aus“ für das Keramikventil.
Nach Aussage von DaimlerChrysler musste die für Keramikventile geforderte 100%ige Qualität
zu teuer erkauft werden (Zusatzkosten für Qualitätskontrolle und Bearbeitung der Ventile).
Für die BMBF-geförderte Entwicklung der umformtechnisch hergestellten -TiAl-
Turbinenschaufeln ergibt sich folgender Stand (Abbildung 64):
- an einem Fertigungsprozess im Pilotmaßstab wird bei ThyssenKrupp noch gearbeitet,
- isotherm geschmiedete Hochdruckverdichterschaufeln mit einer Blattlänge von ca.
30 mm können von der Firma ThyssenKrupp im Werk Remscheid als Einzelteile hergestellt
werden, wobei dieser mit BMBF-Mitteln erworbene Entwicklungsstand weltweit
führend ist,
- Ersatz der Superlegierungen im Flugtriebwerksbau:
im Hochdruckverdichter von Flugtriebwerken werden zur Zeit Laufschaufeln aus den
„schweren“ Nickel-Basis-Superlegierungen eingesetzt, Rolls-Royce Deutschland (Projektpartner
in den BMBF-Vorhaben) wird für diese Anwendung als weltweit einzige
Triebwerksfirma -TiAl-Schaufeln evaluieren, die Validierung soll in einem Triebwerksdemonstrator
im Jahre 2004 erfolgen,
- die erreichte Wertschöpfung der gesamten Prozesskette in Deutschland ist als sehr
hoch einzuschätzen, die Firmen Leistritz (Schaufelbearbeitung) und GfE (Materiallieferant)
sind in diese Prozesskette mit eingebunden und tragen im wesentlichen zu dieser
Technologieführerschaft bei,
- mit den systematischen, intensiven Grundlagenuntersuchungen bezüglich der Weiterentwicklung
der -TiAl-Legierungen am GKSS Forschungszentrum in Geesthacht
wurde weltweit ein wesentlicher Beitrag zu den Legierungsentwicklungen der sogenannten
-TiAl-Legierungen der dritten Generation geliefert (Anmeldung zahlreicher
Patente), im Vergleich zu den Legierungsentwicklungen vor allem in den USA und in
Japan liegt der wesentliche Vorteil darin, dass vom GKSS Forschungszentrum Legierungsentwicklungen
erfolgten, die auf verfügbare, industrielle Umformverfahren abgestimmt
wurden,
- mit der Weiterführung der Legierungs- und Prozessentwicklungen der -TiAl-
Legierungen scheint die Herstellung von Laufschaufeln für stationäre Gasturbinen mit
Blattlängen bis ca. 200 mm und größer in absehbarer Zeit machbar.

Förder-
zeitraum
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
Umformtechnisch
hergestellte
Ventile
Firmengründung
Pilotanlage
Pilotanlage
Plansee
(Verformungsrouten:
(Verformungs- Strangpressen
routen und Schmieden) Strangpressen
und Schmiede)
124
TiAl-Ventil
Pilotanlage
Herstellung:
ca. 100 Stück/Stunde
Herstellung von Motorkomponenten
(Feingusstechnik, Umformungsverfahren,
Legierungsentwicklungen)
Auswahl der Intermetallischen
Phasen-Basissysteme
Screening-Phase
Endkonturnah gegossene Ventile
Potenzial: 2400 Ventile/Tag
Übernahme durch die Industrie
Laboranlage
(Kaltwandinduktionstiegelofen,Schleudergusstechnik)
max. 36 Ventile/Tag
Gesamtfördersumme - Ventile: ca. 9 Mio. €
Zuwendung
in Mio. €
2,7
4,4
2,0
5,6
Abb. 63: BMBF-geförderte Entwicklungen der Titanaluminid-Ventile

Förder-
zeitraum
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
Herstellung,
Erprobung
von IP für
hochbean-
spruchte
Triebwerks-
komponenten
Feingießen
Errichtung
der PIGA-
Anlage,
GKSS
125
Validierung im Triebwerksdemonstrator,
Ziel: Weltweite Technologieführerschaft
Hochdruck-
verdichter-
schaufel
Schmieden,
Strangpressen,
neue Legierung
für T>700°C
Nachweis des
Isotherm-
schmiedens
Entwicklung
einer Umformtechnik
Pulver-
herstellung
Geplantes Bauteil:
Schaufel für Niederdruckturbine,
noch
nicht eingesetzt
Weltneuheit:
Gebaute TiAl-
Hohlschaufel
Pulvermetallurgisch
hergestellte
Bleche, Superplastische
Umformung,
Walzen
von
weltweitgrößtem
TiAl-
Blech
Walzen
Geplantes
Bauteil:
Verdichterschaufel,
noch
nicht eingesetzt
Entwicklung
der
-TAB
Feinguss-
Leg.,
Einsatztemp.
700°C
Herstellung
von
TiAl-
Turbinenschaufeln
mit
Feingussverfahren
Abb. 64: Überblick - Förderung der TiAl-Turbinenschaufeln
im Materialforschungsprogramm des BMBF
Entwicklung
eingestellt,
Nebenergebnis:
Herstellung einer
TiAl-Deckschicht,
Entwicklung
einer
pulvermetallurgischhergestelltenTurbinenschaufel
Mechanisches
Legieren,
Zuwendung
in Mio. €
1,5
2,2
5,2
Gesamtfördersumme - Schaufeln:
ca. 8,9 Mio. €
(ohne Pilotprojekt „Intermetallische Phasen“)

5. Nachwort
126
Für eine große Anzahl neuer Werkstoffe wird die Frage nach den Kosten in einem viel zu
frühen Stadium in den Vordergrund gedrängt, wodurch die meisten innovativen Entwicklungen
schon in den Ansätzen gestoppt werden. Im Fall der Titanaluminide hat das BMBF mit
seiner Förderpolitik geholfen, eine Materialentwicklung auf den Weg zu bringen, die erst jetzt
praktische Bedeutung erlangt.
Es ist zu wünschen, dass die Partner aus der Industrie und der Forschung, ungeachtet des
Wettbewerbes, den Entwicklungsweg der Titanalumide gemeinsam und zielgerichtet weiter
mit gestalten. Aus allen Branchen wurden Know-how-Träger etabliert und damit eine geschlossene
Wertschöpfungskette für neue Produkte in Deutschland zur Sicherung des Wirtschaftsstandortes
geschaffen. Auch wenn industriepolitisch die Bedeutung dieses neuen
Werkstoffes, verglichen mit den Umsätzen auf der Rohstoff- oder Bauteilebene, zur Zeit noch
sehr gering ist, sind erfahrungsgemäß „Zukunftswerkstoffe“ Vorreiter für neue Verfahren und
Entwicklung neuer Produkte. Mit Hilfe der Entwicklungsarbeiten zu den Titanaluminiden
konnte gezeigt werden, dass vor allem für neue Werkstoffentwicklungen anhaltende Forschungsbereitschaft
notwendig ist. Dabei spielt eine nachhaltige Forschungsförderung durch
das BMBF eine entscheidende Rolle und führt zum Erfolg – wie das vorliegende Beispiel der
Titanaluminide zeigt.
Der Dank gilt allen genannten Autoren, die maßgebend zum Gelingen der Broschüre beigetragen
und noch einmal die wichtigsten Entwicklungsschritte benannt bzw. den erreichten
Stand dokumentiert haben. Es soll allen der schwierige Weg der Erforschung eines neuen
Werkstoffes, von einem sehr frühen Forschungsstadium ausgehend, vor Augen gehalten werden
und deutlich machen, welcher lange Atem für eine Werkstoffentwicklung notwendig ist.
Die Broschüre soll aber auch verdeutlichen, dass – nicht nur durch die staatliche Unterstützung
– sondern auch durch das Engagement einzelner handelnder Personen/Projektbearbeiter,
die Titanaluminide in Deutschland diesen hohen Entwicklungsstand erreicht haben. Es wurden
deshalb bewusst Namen genannt, um an deren Mitarbeit zu erinnern.
Madeleine Dietrich
PTJ-NMT

6. Autorenverzeichnis
Dr. habil. Fritz Appel
GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Institut für Werkstoffforschung
Postfach 1160
D-21494 Geesthacht
Tel.: (04152) 87-2504
Fax: (04152) 87-2534
E-mail: FritzAppel@gkss.de
Dr. Arno Bartels
TU Hamburg/Harburg
Werkstoffphysik - Technologie
Eißendorfer Str. 42
21073 Hamburg
Tel.: (040) 42878-3135
Fax: (040) 42878-4070
E-mail: bartels@tu-harburg.de
Dr. Hartmut Baur
DaimlerChrysler AG, Forschung & Technologie
RBP/SM
Forschungszentrum Ulm
Wilhelm-Runge Straße 11
D-89081 Ulm
Tel.: (0731) 505-2772
Fax: (0731) 505-4227
E-mail: hartmut.baur@daimlerchrysler.com
Dr. Peter Busse
ACCESS e.V.
Intzestr. 5
D-52072 Aachen
Tel.: (0241) 8098-004
Fax: (0241) 38578
E-mail: P.Busse@access.rwth-aachen.de
Prof. Dr. Helmut Clemens
GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Institut für Werkstoffforschung
Postfach 1160
D-21494 Geesthacht
Tel.: (04152) 87-
Fax: (04152) 87-2534
E-mail: HelmutClemens@gkss.de
127

Dr. Heidi Cramer
SLV München – Niederlassung der GSI mbH
Schachenmeierstr. 37
D-80636 München
Tel.: (089) 126802-61
Fax: (089) 181643
E-mail: cramer@slv-muenchen.de
Dipl.-Ing. Madeleine Dietrich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Projektträger PTJ-NMT
D-52425 Jülich
Tel.: (02461) 61-2622
Fax: (02461) 61-2398
E-mail: m.dietrich@fz-juelich.de
Dipl.-Ing. Dan Roth-Fagaraseanu
Rolls-Royce Deutschland GmbH
Eschenweg 11
D-15827 Dahlewitz
Tel.: (033708) 6-1253
Fax: (033708) 6-3142
E-mail: dan.roth-fagaraseanu@rolls-royce.com
Dr. Rainer Gerling
GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Institut für Werkstoffforschung
Postfach 1160
D-21494 Geesthacht
Tel.: (04152) 87-2545
Fax: (04152) 87-2534
E-mail: RainerGerling@gkss.de
Dr. Berthold von Großmann
AUDI AG
I/EG-34
D-85045 Ingolstadt
Tel.: (0841) 89-35950
Fax: (0841) 89-31238
E-mail: berthold.grossmann@audi.de
Dr. Volker Güther
GfE Metalle und Materialien GmbH
Höfener Str. 45
D-90431 Nürnberg
Tel.: (0911) 9315-446
Fax: (0911) 9315-490
E-mail: vg@gfe-online.de
128

129
Dipl.-Ing. Peter Janschek
Thyssen Umformtechnik Turbinenkomponenten GmbH
Papenberger Str. 37
D-42859 Remscheid
Tel.. (02191) 15-1453
Fax: (02191) 15-1587
E-mail: Peter.Janschek@tut.thyssenkrupp.com
Dr. Heinrich Kestler
Plansee AG
Technologiezentrum
A-6600 Reutte/Tirol
Tel.: +43 (05672) 600-2772
Fax: +43 (05672) 600-536
E-mail: heinrich.kestler@plansee.at
Dr. Günter Kneringer
Plansee AG
Technologiezentrum
A-6600 Reutte/Tirol
Tel.: +43 (05672) 600-2229
Fax: +43 (05672) 600-500
E-mail: guenter.kneringer@plansee.at
Dr. Lothar Knippschild
ThyssenKrupp Automotive AG
Alleestr. 165
D-44793 Bochum
Tel.: (0234) 919-6135
Fax: (0234) 919-6137
E-mail: knippschild@tka.thyssenkrupp.com
Dr. Michael Krehl
Sinterstahl GmbH Füssen
Hiebelerstr. 4
D-87629 Füssen
Tel.: (08362) 506-110
Fax: (08362) 506-188
E-mail: mkrehl@sinterstahl.com
Dr. Hans-Josef Laudenberg
TRW Deutschland GmbH
Postfach 1111
D-30881 Barsinghausen
Tel.: (05105) 518-450
Fax: (05105) 518-440
E-mail: hans-josef.laudenberg@trw.com

Dr. Michael Oehring
GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Institut für Werkstoffforschung
Postfach 1160
D-21494 Geesthacht
Tel.: 04152/87-2512
Fax: 04152/87-2534
E-mail: MichaelOehring@gkss.de
Dr. Willem Joseph Quadakkers
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut IWV 2
D-52425 Jülich
Tel.: (02461) 61-4668
Fax: (02461) 61-3687
E-mail: j.quadakkers@fz-juelich.de
Priv. Doz. Dr. Gerhard Sauthoff
Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Max-Planck-Str. 1
D-40237 Düsseldorf
Tel.. (0211) 6792-313
Fax: (0211) 6792-268
E-mail: sauthoff@mpie.de
Dipl.-Ing. Christian Schäfer
BMW M
Gesellschaft für individuelle Automobile
Preußenstr. 45
D-80809 München
Tel.: (089) 32903-443
Fax: (0899 32903-442
E-mail: Christian.Schaefer@zs.bmw.de
130
Prof. Dr. Michael Schütze
DECHEMA
Gesellschaft für Chem. Technik u. Biotechnologie e.V.
Theodor-Heuss-Allee 25
D-60486 Frankfurt am Main
Tel.: (069) 7564-337
Fax: (0699 7564-388
E-mail: schuetze@dechema.de
Dipl.-Ing. Claus Schwärzel
Adam Opel AG
Internationales Techn. Entwicklungszentrum
IPC 85-70
D-65423 Rüsselsheim
Tel.: (06142) 7-78017
Fax: (06142) 7-78203
E-mail: Claus.Schwaerzel@de.opel.com

Dr. Klaus Segtrop
TRW Deutschland GmbH
Postfach 1111
D-30881 Barsinghausen
Tel.: (05105) 518-400
Fax: (05105) 518-359
E-mail: klaus.segtrop@trw.com
Dr. Wilfried Smarsly
MTU Aero Engines GmbH
Abt.: TWBN
Dachauer Str. 665
D-80995 München
Tel.: (089) 1489-4886
Fax: (089) 1489-6101
E-mail: wilfried.smarsly@muc.mtu.de
Dr.Jürgen Wesemann
Ford Forschungszentrum Aachen GmbH
Suesterfeldstr. 200
D-52072 Aachen
Tel.: (0241) 9421-228
Fax: (0241) 9421-306
E-mail: jweseman@ford.com
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