Verhalten von Wasserstoff in Titanlegierungen: Absorption ... · PDF fileVerhalten von...

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  • Verhalten von Wasserstoff in Titanlegierungen:

    Absorption, Diffusion und Phasenumwandlungen

    Vom Fachbereich Material- und Geowissenschaften der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des akademischen Grades eines

    Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

    genehmigte

    Dissertation

    von

    DIPL.-ING. THORSTEN KELLER

    aus Gießen

    Referent: Prof. Dr. Jürgen Eckert Korreferent: Prof. Dr. Markus Rettenmayr Tag der Einreichung: 29. Juli 2005 Tag der mündlichen Prüfung: 4. November 2005

    Darmstadt 2005 D17

  • Danksagung

    Diese Arbeit wurde im Zeitraum von 1.7.2002 bis 29.7.2005 am Fachgebiet Phy- sikalische Metallkunde der TU Darmstadt und dem Arbeitskreis Metallische Werkstoffe der Friedrich-Schiller-Universität Jena unter der Leitung von Prof. Dr. Jürgen Eckert und Prof. Dr. Markus Rettenmayr angefertigt.

    Für die Unterstützung im Rahmen meiner Tätigkeit möchte ich folgenden Per- sonen danken:

    Herrn Prof. Dr. Markus Rettenmayr für die fachliche Betreuung meiner Ar- beit, sein Interesse und die stetige Diskussionsbereitschaft,

    Herrn Prof. Dr. Jürgen Eckert für die weitere Betreuung meiner Arbeit an der TU Darmstadt,

    der Studienstiftung des Deutschen Volkes sowie deren Vertretern Herrn Dr. Hans-Ottmar Weyand und Herrn Prof. Dr. Hans-Dieter Alber für die finanzielle und ideelle Förderung meines Promotionsvorhabens,

    Herrn Prof. Dr. Helmut Wipf für seine Diskussionsbereitschaft und die Möglichkeit zur Nutzung der experimentellen Ausstattung seiner Arbeits- gruppe. Außerdem allen Gruppenmitgliedern für die angenehme Zusam- menarbeit und die technische Unterstützung,

    Herrn Dr. Bhaskar Dutta für die praktische und theoretische Einführung in das Themengebiet sowie die fachliche Unterstützung,

    Frau Ulrike Kunz, Herrn Heinz Lehmann und Frau Claudia Wasmund für die technische Unterstützung,

    Herrn Barry Valder von der Firma Wah Chang, Albany, USA für die kos- tenfreie Lieferung der Ti-45Nb Legierung,

    Herrn Jochen Korzer und den Mitarbeitern der Werkstatt für die Herstel- lung der Proben,

    Herrn Joel Kamwa für die Probenpräparation während seiner Tätigkeit als studentische Hilfskraft,

    Herrn Dr. Helmut Ehrenberg für seine fachkundigen Ratschläge zur Rönt- genbeugung,

    Frau Claudia Fasel für die Durchführung der Messungen zur thermischen Analyse,

    Herrn Hermann Krahbichler von der Firma Plansee, Reutte, Tirol für die Analyse der Ti-45Nb Legierung,

    allen Mitarbeitern des Fachgebietes Physikalische Metallkunde der TU Darmstadt und des Arbeitskreises Metallische Werkstoffe der Friedrich- Schiller-Universität Jena für die gute Arbeitsatmosphäre.

  • Inhaltsverzeichnis

    1 Einleitung 1

    2 Literaturübersicht 3 2.1 Binäre Systeme Metall-Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2.1.1 Verhalten von Wasserstoffgas und Lösung als Mischkristall 4 2.1.2 Darstellung von Gleichgewichtszuständen . . . . . . . . . 7

    2.2 Lösung in Legierungen und defektbehafteten Materialien . . . . . 8 2.2.1 Einfluss von Legierungselementen und Gitterfehlern auf

    die Löslichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2 Einfluss von Legierungselementen auf die Löslichkeits-

    grenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Diffusion von Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.3.1 Definition der Diffusionskoeffizienten . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Messung des Diffusionskoeffizienten . . . . . . . . . . . . 14 2.3.3 Diffusionskoeffizienten in reinen Metallen . . . . . . . . . 17 2.3.4 Diffusion in defektbehafteten Metallen und Legierungen . 19

    2.4 Technische Bedeutung von Metall-Wasserstoffsystemen . . . . . . 21 2.5 Gefügeeinfluss auf die Wasserstoffaufnahme und Diffusion . . . . 23 2.6 Titan und Titanlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    2.6.1 Verhalten von Wasserstoff in Titanlegierungen . . . . . . . 26 2.7 Zusammenfassung und Fragestellung . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    3 Experimentelle Durchführung 31 3.1 Legierungsherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Messungen der Wasserstoffaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    3.2.1 Kalibration der Probenkammertemperatur . . . . . . . . . 33 3.2.2 Probenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.3 Einfluss der Phasenverteilung auf die Wasserstoffaufnah-

    me in Ti 15-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.4 Einfluss ternärer Legierungselemente und wasserstoffin-

    duzierte Phasenumwandlungen im System Ti-Nb . . . . . 36 3.3 Anelastische Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    VII

  • Inhaltsverzeichnis

    3.3.1 Beladung der Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2 Relaxationsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    3.4 Phasenumwandlungen in Ti-45Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4.1 Einfluss von Wasserstoff auf die Bildung und Auflösung

    von Ausscheidungen in Ti-45Nb . . . . . . . . . . . . . . . 41

    4 Ergebnisse 43 4.1 Wasserstoffaufnahme in Ti 15-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2 Wasserstoffaufnahme und Phasenumwandlungen in Ti-45Nb-X . 44

    4.2.1 Charakterisierung der Materialien vor der Absorption . . 44 4.2.2 Absorptionsexperimente ohne Palladiumbeschichtung . . 48 4.2.3 Druck-Konzentrations-Isothermen . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.4 Phasenumwandlungen durch Wasserstoffabsorption . . . 51 4.2.5 Berechnung der thermodynamischen Größen . . . . . . . . 54

    4.3 Anelastische Relaxation von Wasserstoff in Ti-45Nb . . . . . . . . 56 4.3.1 Legierungszusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.2 Beladung der Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.3 Auswertung der Relaxationszeit . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.3.4 Bestimmung des Diffusionskoeffizienten . . . . . . . . . . 60 4.3.5 Bestimmung der Relaxationsstärke . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.6 Gitterparameter bei verschiedenen Wasserstoffgehalten . . 63

    4.4 Phasenumwandlungen in Ti-45Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    5 Diskussion 69 5.1 Wasserstoffaufnahme in Ti 15-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2 Wasserstoffaufnahme und Phasenumwandlungen in Ti-45Nb-X . 70

    5.2.1 Konzentrationsabhängigkeit der Absorptionsenthalpie . . 71 5.2.2 Einfluss des Gitterparameters und der Valenzelektronen . 72 5.2.3 Korrektur der Absorptionsenthalpie um den Anteil zu-

    sätzlicher Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.2.4 Zweiphasengebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

    5.3 Anelastische Relaxation von Wasserstoff in Ti-45Nb . . . . . . . . 78 5.3.1 Wasserstoffunabhängige Relaxationseffekte . . . . . . . . . 78 5.3.2 Relaxationsstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.3 Diffusion von Wasserstoff in Ti-45Nb . . . . . . . . . . . . 84

    5.4 Härtesteigerung durch eine Wärmebehandlung bei verschiede- nen Wasserstoffgehalten in Ti-45Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    5.5 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

    6 Zusammenfassung 91

    Literaturverzeichnis 93

    VIII

  • Abbildungsverzeichnis

    2.1 Oktaeder- und Tetraederlücken in kubisch flächenzentrierten, he- xagonal dicht gepackten und kubisch raumzentrierten Gittern. . . 4

    2.2 Gelöste Wasserstoffmenge bei einem Druck von 1 bar in Abhän- gigkeit der Temperatur bei verschiedenen Lösungsenthalpien. . . 6

    2.3 Lösungsenthalpie von Wasserstoff bei unendlicher Verdünnung in verschiedenen Elementen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    2.4 Druck-Konzentrations-Isothermen im System V-H . . . . . . . . . 8

    3.1 Schema der Sieverts-Apparatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2 Temperatur-Zeit-Ausscheidungsdiagramm für Ti 15-3. . . . . . . 35 3.3 Schema der Anlage zur Messung der anelastischen Relaxation. . . 38 3.4 Stabilität der Temperaturregelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    4.1 Druckabnahme durch Absorption von Wasserstoff in Pd- beschichteten Proben aus Ti 15-3 bei verschiedenen Temperaturen. 44

    4.2 Druckabnahme durch Absorption von Wasserstoff in plasmage- ätzten und Pd-beschichteten Proben aus Ti 15-3 bei verschiedenen Temperaturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    4.3 Gefüge der vier untersuchten Legierungen im unbehandelten Zu- stand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    4.4 Röntgenbeugungsdiagramme der vier untersuchten Legierungen im unbehandelten und geglühten Zustand. . . . . . . . . . . . . . 47

    4.5 Absorptionskinetik in Ti-45Nb ohne Palladiumbeschichtung bei verschiedenen Temperaturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    4.6 Ergebnisse der Messungen zur Wasserstoffaufnahme für die ver- wendeten Legierungen bei verschiedenen Temperaturen. . . . . . 50

    4.7 Röntgenbeugungsdiagramme der vier untersuchten Legierungen bei verschiedenen Wasserstoffgehalten. . . . . . . . . . . . . . . . 52

    4.8 Metallographische Schliffe nach Beladung mit 3 bar Wasserstoff bei 400 °C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    4.9 Berechnete thermodynamische Größen der Absorptionsreaktion bei verschiedenen Konzentrationen zwischen 400 und 600 °C. . . 55

    IX

  • Abbildungsverzeichnis

    4.10 Anelastisches Verhalten in Proben mit und ohne Wasserstoffbela- dung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .