Disordering βo/β phase transformation in 𝛾-TiAl alloys studied by neutron and synchrotron diffraction techniques

Abstract

An investigation dedicated to the βo/β phase transformation in TiAl alloys by means of neutron and synchrotron diffraction is presented in this thesis. Binary and ternary TiAl alloys with 42 at. % of Al were researched. The alloy compositions were chosen mainly to systematically investigate the fundamental aspects of the βo/β phase transformation in TiAl alloys. Phase composition, lattice parameters, site occupancy and phase transformation temperatures were determined from the synchrotron data. In addition the presence of the ordered phases, their lattice parameters and phase transformation temperatures were derived from neutron data. Due to the neutron scattering characteristics of Ti and Al only information about the ordered phases can be yielded from neutron diffraction. The results were interpreted to gain insight into the effect of the third element on all investigated parameters. Due to the restriction to ternary compositions, the correlations found could be unambiguously related to the alloying element added. By this, a sound systematic knowledge was obtained about alloying effects usable (1) for the development of new alloy compositions, applicable to turbine blades production, as well as (2) for improvement of properties of alloys being already in use. Namely the sample with 2 at. % of Mo was found to have the highest amount of the βo/β phase, as well as the highest temperature of the βo→β phase transformation. With increase of Mo content both parameters increase. The sample with 2 at. % of Cr possesses a higher βo/β phase content but a lower βo→β phase transformation temperature than 2 at. % of Fe. Increase of Fe and Cr contents give no obvious tendency for in/decrease of the βo→β phase transformation temperature but only for an increase of the βo/β phase content. Ternary samples with 2 at% of Nb and Ta as well as the binary samples contain no βo/β phase up to 1300 °C, where bad grain statistic made a further investigation of ordering impossible. All samples with higher than 2 at. % of β-stabilizing elements contain the βo phase above 1000 °C according to both synchrotron and neutron data. In addition, the samples Ti-42Al-3Fe, Ti-42Al-4Mo, Ti-42Al-6Mo, Ti-42Al-4Cr, Ti-42Al-6Cr contain the βo phase even at RT according to the synchrotron data. Two ways to quantify the degree of ordering for the cubic βo/β phase are considered being the degree of ordering coefficient and the site occupancy refinement. The ways are appropriate only for synchrotron diffraction results and values of degree of ordering depend strongly on the sample composition. From the refined lattice parameters measured by synchrotron diffraction the linear and the volume thermal expansion coefficient of all phases in the different samples during heating between 1100 and 1200 °C were determined. The values lie in the range around 5×10-5 K-1. The difference between lattice parameters determined by synchrotron and neutron diffraction does not exceed 0.005Å. There is no obvious observation of a lattice parameter change due to βo/β or even 𝛼2/𝛼 order/disorder phase transformation. Advantages and disadvantages of each diffraction method and the dilatometer sample environment used as heating furnace for the study of disordering phase transformations in TiAl alloys are described and suggestions for possible improvements, e.g. an application of a goniometer for a few degrees rotation of the dilatometer around the vertical axis, are given. Additionally, Scanning Electron Microscopy provided an overview of microstructures, which were classified into the four types: fine grained, nearly 𝛼2, as well as homogeneous and inhomogeneous duplex microstructures. With increase of the third element content the samples grain size decreases. Differential Scanning Calorimetry was used as an attempt to give an experimental evidence for the detectability of the βo/β phase transformation in TiAl alloys by the heat flow. In this context, the very fundamental question is discussed whether the disordering βo/β phase transformation is a second order type transformation.

Die Dissertation behandelt die Untersuchung der βo/β Phasenumwandlung in TiAl Legierungen mit Hilfe von Synchrotron- und Neutronenbeugungsmethoden. Dabei wurden speziell binäre und ternäre Legierungen mit 42 at. % Al-Gehalt untersucht. Die Legierungszusammensetzungen wurden vor allem unter dem Gesichtspunkt ausgewählt, systematisch grundlegende Aspekte der βo→β Phasenumwandlung zu untersuchen. Die Phasenanteile, die Gitterparameter, die atomare Besetzung der Gitterplätze und die Phasenumwandlungstemperaturen wurden aus der Analyse der Synchrotronbeugungsdaten bestimmt. Die Anwesenheit der geordneten Phasen sowie deren Gitterparameter und Phasenumwandlungstemperaturen wurden zudem mit Hilfe der Neutronenbeugungsmethode bestimmt. Wegen der speziellen Neutronenbeugungseigenschaften von Ti und Al die neutronnen können nur die Informationen über die geordneten Phasen gewonnen werden. Alle Ergebnisse wurden dahingehend ausgewertet, neue Einblicke bezüglich des Einflusses der ternären Legierungselemente auf alle untersuchten Parameter zu gewinnen. Wegen der Beschränkung auf ternäre Zusammensetzungen konnten die gefundenen Zusammenhänge eindeutig dem zugesetzten Legierungselement zugeordnet werden. Dadurch wurde eine eindeutige systematische Wissensbasis über den Legierungseinfluss gewonnen, die weiter genützt werden kann (1) für die Entwicklung neuer Legierungszusammensetzungen für die Produktion von Turbinenschaufeln aber auch (2) für die Verbesserung der Eigenschaften von Legierungen die sich schon im Einsatz befinden. Namentlich die Probe mit 2 at. % Mo hat den größten Phasenanteil an 𝛽o/𝛽 Phase und die höchste Phasenübergangstemperatur. Mit zunehmendem Mo Anteil steigen beide Parameter. Die Probe mit 2 at. % Cr hat einen größeren βo/β Phasenanteil aber eine niedrigere Phasenübergangstemperatur, als die Probe mit 2 at. % Fe. Die Erhöhung des Cr und Fe Anteils weist keine eindeutige Tendenz für einen An-/Abstieg der βo→β Phasenübergangstemperatur auf, sondern nur für den Anstieg der βo/β Phasenanteile. Ternäre Legierungen mit 2 at. % Ta oder Nb aber auch die binären Legierungen enthalten keine 𝛽o/𝛽 Phase bis 1300 °C und oberhalb macht die schlechte Kornstatistik eine weitere Untersuchung des Ordnungsverhaltens unmöglich. Alle Proben mit mehr als 2 at. % an 𝛽-Stabilisatoren enthalten βo Phase oberhalb von 1000 °C gemäß der Neutronen und Synchrotron Beugungsergebnisse. Die Sychrotrondaten zeigen, dass die Proben Ti-42Al-3Fe, Ti-42Al-4Mo, Ti-42Al-6Mo, Ti-42Al-4Cr, Ti-42Al-6Cr enthalten außerdem selbst bei Raumtemperatur βo Phase. Für die Bestimmung des Ordnungsgrades der kubischen βo/β Phase wurden zwei Methoden verwendet: die Bestimmung des Koeffizienten des Ordnungsgrads und die Verfeinerung der Gitterplatzbesetzung. Die beiden Methoden sind nur auf Synchrotrondaten anwendbar und die Werte des Ordnungsgrades hängen stark von der Probenzusammensetzung ab. Aus den verfeinerten Gitterparametern der Synchrotronbeugungsexperimente wurden die Längen- und Volumen-Wärmeausdehnungskoeffizienten für alle Phasen aller Proben zwischen 1100 und 1200 °C bestimmt. Die Werten liegen bei ca. 5×10-5 K-1. Der Unterschied zwischen den Gitterparametern, die entweder mit Neutronen- oder mit Synchrotronbeugung bestimmt wurden, ist weniger als 0.005Å. Es gibt keine eindeutige Beobachtung einer Änderung des Gitterparameters auf Grund der βo/β oder 𝛼2/𝛼 Ordnungs/Unordnungsphasenumwandlung. Die Vor- und Nachteile jeder Beugungsmethode und des Dilatometers, das als Probeumgebung wie ein Ofen genutzt wurde, für die Untersuchung der Unordnungsphasenumwandlung in TiAl Legierungen werden erläutert und daneben werden mögliche Verbesserungen vorgeschlagen, z.B. die Verwendung eines Goniometers um das Dilatometer ein paar Grad um die vertikale Achse zu drehen. Zusätzlich lieferte Rasterelektronmikroskopie einen Überblick über die Mikrostrukturen der untersuchten Proben, die sich in 4 Typen einteilen lassen: feinkörnig, nahezu reines 𝛼2, homogenes und inhomogenes Duplexgefüge. Mit zunehmendem Anteil an Legierungselementen verkleinert sich die Korngröße in den Proben. Die Differentialthermoanalyse wurde angewendet um den βo/β Phasenübergang in TiAl Legierungen durch Wärmefluss experimentell nachweisen zu können. In diesem Zusammenhang wird die fundamentale Frage diskutiert, ob die βo/β Unordnungsphasenumwandlung eine Umwandlung zweiter Ordnung ist.