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Verhalten von Wasserstoff in Titanlegierungen

Keller, Thorsten :
Verhalten von Wasserstoff in Titanlegierungen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Verhalten von Wasserstoff in Titanlegierungen
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Aim of the present work is to obtain a better understanding of the effects of hydrogen on the phase equilibrium and of the diffusion of hydrogen in titanium alloys. For this purpose the hydrogen absorption in the binary alloy Ti-45Nb and the ternary alloys Ti-45Nb-4Ni, Ti-45Nb-4Al and Ti-45Nb-4Cr was investigated at 400, 500 and 600 °C. The phase composition of the alloys before and after hydrogen absorption was determined for different hydrogen concentrations by XRD. In addition to that the diffusion coefficient of hydrogen in Ti-45Nb for hydrogen concentrations up to 0.45 H/M was measured between room temperature and 300 °C. Before absorption of hydrogen the three ternary alloys showed a two-phase microstructure. Besides the body-centred cubic %beta;-titanium phase a fraction of 25 wt% of the %alpha;-titanium phase was present in Ti-45Nb-4Al. The alloys Ti-45Nb 4Ni and Ti-45Nb-4Cr showed a fraction of 8 wt% and <1 wt% of the intermetallic phases Ti2Ni and TiCr2. With absorption of hydrogen to a hydrogen concentration of 0.45 H/M the two-phase microstructure of the ternary alloys was fully transformed into a single-phase %beta;-microstructure. The complete dissolution of such a high amount of the %alpha;-phase in Ti-45Nb-4Al and the very stable intermetallic phases shows the high potential of hydrogen for the stabilization of the %beta;-phase in these alloys. The enthalpy of absorption at different hydrogen concentrations was calculated for different temperatures out of the measured p-c-isotherms of the alloys. With the help of a equation that considers the transformation enthalpy of the additional phases into the %beta;-phase, the experimentally determined enthalpies of absorption of the two-phase alloys were converted into the enthalpies of solution of the %beta;-phase. For the investigated two-phase alloys the conversion between absorption enthalpy and solution enthalpy revealed only a small enthalpy difference. The influence of the lattice parameter of the %beta;-phase and the valence electron density of the alloys on the absorption enthalpy was examined by an extrapolation of the absorption enthalpies of the alloys to infinite dilution of hydrogen. It was apparent that the behaviour in alloys cannot be predicted out of a linear extrapolation of the behaviour of the constituting metals as indicated frequently in the literature. The measurements of the diffusion coefficient of hydrogen in Ti-45Nb at room temperature showed a decrease of the diffusion coefficient with increasing hydrogen content between 0.03 H/M and 0.1 H/M. This behaviour is attributed to the blocking of interstitial sites by hydrogen. At 0.35 H/M the diffusion coefficient showed nearly the double value. For the measured hydrogen concentrations in alloys such a strong variation of the diffusion coefficient as function of the hydrogen content is not reported in the literature. The increase of the diffusion coefficient is attributed to the different energy levels of the various tetrahedral interstitials, that depends on the type of the surrounding metal atoms. This was concluded out of a calculation of the fractions of the tetrahedral interstitial with different configurations and the consideration of the blocking of the tetrahedral sites by the solved hydrogen. Other effects, which affect the diffusion coefficient, like fluctuation of the alloy composition or mutual interactions of the hydrogen atoms, could be excluded as reason for the increasing diffusion coefficient.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000636
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6366
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Eckert, Prof. Dr. Jürgen and Rettenmayr, Prof. Dr. Markus
Advisors: Eckert, Prof. Dr. Jürgen and Rettenmayr, Prof. Dr. Markus
Refereed: 4 November 2005
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/636
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