Keller, Thorsten (2005)
Verhalten von Wasserstoff in Titanlegierungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, am Beispiel von Titanlegierungen ein besseres Verständnis über die Auswirkungen von Wasserstoff auf das Phasengleichgewicht und über die Diffusion von Wasserstoff in Legierungen zu erhalten. Dazu wurde die Wasserstoffaufnahme in der binären Legierung Ti-45Nb und den ternären Legierungen Ti-45Nb-4Ni, Ti-45Nb-4Al und Ti-45Nb-4Cr bei 400, 500 und 600 °C untersucht. Durch Röntgenbeugung wurde die Phasenverteilung der Legierungen vor und nach der Wasserstoffbeladung bei verschiedenen Wasserstoffgehalten bestimmt. Außerdem wurde der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff in Ti-45Nb bei Wasserstoffgehalten bis 0,45 H/M zwischen Raumtemperatur und 300 °C bestimmt. Vor der Absorption von Wasserstoff wiesen die drei ternären Legierungen ein zweiphasiges Gefüge auf. Neben der kubisch raumzentrierten β-Titanphase lag in Ti-45Nb-4Al ein Gefügeanteil von 25 Gew% der α-Titanphase und in Ti-45Nb- 4Ni bzw. Ti-45Nb-4Cr zusätzlich die intermetallischen Phasen Ti2Ni (8 Gew%) und TiCr2 (<1 Gew%) vor. Durch die Absorption von Wasserstoff bis zu einem Wasserstoffgehalt von 0,45 H/M wurde das zweiphasige Gefüge der ternären Legierungen in ein einphasiges β-Gefüge umgewandelt. Die vollständige Auflösung des 25%igen Gefügeanteils der α-Phase in Ti-45Nb-4Al und der thermodynamisch besonders stabilen intermetallischen Phasen belegt das hohe Potenzial von Wasserstoff zur Stabilisierung der β-Phase in diesen Legierungen. Aus Messungen der p-c-Isothermen der Legierungen bei verschiedenen Temperaturen wurde die Enthalpie der Absorptionsreaktion bei verschiedenen Wasserstoffgehalten berechnet. Mit einer Korrekturformel, welche die Enthalpie zur Umwandlung der zusätzlichen Phasen in die β-Phase berücksichtigt, können die experimentell bestimmten Absorptionsenthalpien der mehrphasigen Legierungen in Lösungsenthalpien der β-Phase umgerechnet werden. Bei den verwendeten Legierungen ergab sich nur ein geringer Unterschied zwischen Absorptions- und Lösungsenthalpie. Durch eine Extrapolation der Absorptionsenthalpien der Legierungen auf unendliche Verdünnung von Wasserstoff wurde der Einfluss des Gitterparameters der β-Phase und der Valenzelektronendichte der Legierungen auf die Absorptionsenthalpie untersucht. Dabei wurde deutlich, dass das Verhalten in Legierungen nicht aus linearen Zusammenhängen des Verhaltens der beteiligten Metalle abgeleitet werden kann, wie in der Literatur häufig angegeben. Die Messungen des Diffusionskoeffizienten von Wasserstoff in Ti-45Nb bei Raumtemperatur zeigten mit steigendem Wasserstoffgehalt eine Abnahme des Diffusionskoeffizienten zwischen 0,03 H/Mund 0,1 H/M. Dieses Verhalten wird der Blockierung von Zwischengitterplätzen zugeschrieben. Bei 0,35 H/M steigt der Diffusionskoeffizient fast auf das Doppelte an. Für diese Wasserstoffgehalte in Legierungen ist eine Variation des Diffusionskoeffizienten als Funktion des Wasserstoffgehalts um den Faktor zwei bisher in der Literatur nicht beschrieben. Der Anstieg des Diffusionskoeffizienten wird auf die unterschiedlichen Energieniveaus der verschiedenen Konfigurationen von Tetraederplätzen zurückgeführt. Dies geht aus einer Berechnung der Anteile an Tetraederlücken unterschiedlicher Konfiguration unter der Berücksichtigung der Blockierung von Zwischengitterplätzen durch gelösten Wasserstoff hervor. Andere Effekte, die den Diffusionskoeffizienten beeinflussen, wie Abweichungen der Legierungszusammensetzung oder gegenseitige Wechselwirkungen der Wasserstoffatome, konnten als Ursache für den erhöhten Diffusionskoeffizienten ausgeschlossen werden.

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