Abstract
Las aleaciones de titanio-aluminio con contenido en Al entre el 35 y 49 at.% (denominadas
aleaciones γ-TiAl) presentan una amplia variedad de microestructuras compuestas por dos
fases intermetálicas: γ(TiAl) y α2(Ti3Al). La microestructura laminar, formada por colonias
compuestas de láminas de γ y α2, presenta las propiedades más beneficiosas para la fabricación
de componentes de motores de combustión interna y de reacción, los cuales están sujetos
a exigentes solicitaciones termomecánicas. Una creciente demanda de estos componentes
requiere de la optimización de dichas aleaciones. Sin embargo, esta tarea es difícil dado
que la respuesta mecánica de estos materiales viene determinada por un gran número de
parámetros microestructurales que actúan simultáneamente, como el tamaño de colonia,
ancho y orientación de láminas, tamaño de dominio, etc. Esta tesis tiene como objetivo
aislar el efecto que tienen el ancho y orientación de láminas sobre la respuesta mecánica de
colonias aisladas, así como la caracterización de la interacción entre dislocaciones y fronteras
de lámina en una aleación Ti-45Al-2Nb-2Mn (at.%) + 0.8(vol.%) TiB2 (Ti4522XD).
Con este objetivo, en primer lugar, se han comprimido micropilares a temperatura
ambiente con láminas orientadas a 0°, 45° y 90° con respecto al eje de carga, confirmando
la presencia de una elevada anisotropía plástica. La variabilidad en la respuesta mecánica
de micropilares con diferentes orientaciones de láminas ha sido examinada a través de las
trazas visibles en la superficie externa de los micropilares, las cuales están asociadas al
deslizamiento cristalográfico o maclado responsables de la deformación plástica. En las
probetas ensayadas a 45° se ha podido observar la activación predominante de sistemas
longitudinales, cuyo plano y dirección de deslizamiento están contenidos en las láminas,
siendo estos paralelos a las intercaras, dando lugar a una mínima interacción con las fronteras
de lámina. En las probetas ensayadas a 0° se ha podido observar que mayoritariamente se
activan sistemas de deformación de tipo mixto, cuyo plano de deslizamiento está contenido
en las láminas pero cuya dirección de deslizamiento interseca con las intercaras. A pesar de
esto, las fronteras de lámina parecen ser relativamente transparentes a la propagación de dislocaciones de los sistemas mixtos. Los micropilares orientados a 90° han representado
la orientación más dura, activándose sistemas transversales, cuyo plano de deslizamiento y
dirección intersecan las fronteras de lámina. Además, se ha podido observar la activación
de sistemas longitudinales a pesar de presentar un factor de Schmid muy bajo para estas
orientaciones. Adicionalmente se ha llevado a cabo un estudio de efectos del tamaño. Este
estudio ha revelado que los resultados obtenidos son independientes de la dimensión de los
micropilares fabricados por encima de 5 μm. Estos resultados pueden servir para alimentar
modelos numéricos de plasticidad multiescala que capturen el comportamiento micromecánico
de aleaciones γ-TiAl.
En segundo lugar, se ha diseñado una estrategia para reducir el espaciado laminar a
escala nanométrica a partir de un tratamiento térmico en el dominio de α, seguido de un
enfriamiento ultra-rápido a una velocidad de 2000 ◦Cs−1 en un sistema Gleeble, seguido de
un proceso de envejecimiento a baja temperatura. El endurecimiento obtenido a partir de la
reducción del espaciado laminar ha sido estudiado en función de la orientación de lámina,
confirmando una mejora en la respuesta mecánica superior a la obtenida por adición de Nb.
Finalmente, se ha diseñado un dispositivo que ha permitido estudiar el comportamiento
mecánico a tracción de una microprobeta de γ-TiAl fabricada por haz focalizado de iones.
Los resultados muestran que las intercaras son relativamente transparentes a la propagación
de dislocaciones. Las fronteras de tipo order variant presentan compatibilidad geométrica
entre todos sus sistemas de deslizamiento, por lo que la dislocación transmitida mantiene el
vector de Burgers. En cambio, las fronteras de tipo pseudo-twin y true twin requieren un
cambio en el vector de Burgers en la dislocación saliente, siendo el sistema de deslizamiento
más probable aquel que presenta la mayor compatibilidad geométrica.
El trabajo derivado de esta tesis ha servido para aislar y cuantificar el efecto del ancho y
orientación de láminas en colonias aisladas de una aleación γ-TiAl. Además, la metodología
desarrollada puede ser extendida al estudio de otras variables microestructurales, siendo de
gran utilidad para el desarrollo de modelos predictivos. Titanium aluminide alloys with Al concentrations between 35 and 49 at.% (γ-TiAl alloys)
exhibit a wide range of microstructures formed by the two intermetallic phases γ(TiAl)
and α2(Ti3Al). Among these microstructures the so-called fully lamellar, consisting on
the arrangement of γ and α2 lamellae into colonies, have the potential to replace heavier
materials in high temperature structural applications such as automotive and aerospace
engine components due to their excellent mechanical response. The increasing demands
on modern turbines require microstructural optimisation of γ-TiAl alloys. However, this is
a complex task, as the mechanical behaviour of these materials is determined by multiple
microstructural parameters such as the colony size, the lamellar size and orientation, the
domain size, etc. Isolating the influence of individual microstructural parameters has, to
date, not been achieved successfully. The main scope of this thesis is to understand both the
effect that lamellar orientation and thickness have on the response of isolated colonies, as
well as dislocation-interface interactions in a Ti-45Al-2Nb-2Mn (at.%) + 0.8(vol.%) TiB2
(Ti4522XD).
With this aim, first, micropillars with lamellae oriented at 0°, 45° and 90° with respect
to the loading direction were compressed at room temperature. The results revealed a large
plastic anisotropy, that was rationalised, based on slip/twinning trace analysis, according to
the relative orientation of the main operative deformation modes with respect to the lamellar
interfaces. Loading at 45° resulted in the activation of soft longitudinal modes, where both
the slip plane and the slip direction were parallel to the interfaces, and therefore, little
interaction of dislocations with lamellar interfaces take place. At 0° loading, deformation was
mainly accommodated by harder mixed deformation modes (with an oblique slip plane but
a slip direction parallel to the lamellar interfaces), although the lamellar interfaces seemed
to be relatively transparent to slip transfer. 90° loading represented the hardest mode and
deformation was accommodated by the activation of transverse deformation mechanisms,
confined to individual lamellae, together with longitudinal ones that were activated, due to their softer nature, despite their very small Schmid factors. In addition, a thorough study of
pillar size effects revealed that the results were insensitive to pillar size for dimensions above
5 μm.
Second, a fully lamellar microstructure with a nanoscale lamellae width was developed by,
first, heat treating the as-received material within the α domain, followed by rapid cooling at
cooling rates of 2000 ◦Cs−1 in a Gleeble system, and finally low temperature ageing. The
strengthening induced by the nanoscale lamellar thickness, investigated as a function of
lamellar orientations by micropillar compression, was found to be even higher than what can
be achieved by high Nb alloying.
Finally, a microtensile device, which allows to test specimens as small as 5 μm in length,
was designed for the present thesis research. A microtensile specimen of the Ti4522XD alloy
was tested in tension and the deformation mechanisms were investigated. The results revealed
that lamellar interfaces are relatively transparent to dislocation propagation. Order variant
interfaces present fully geometrically compatible slip systems that do not require a change in
the Burgers vector of the transmitted dislocation. In contrast, in true twin and pseudo-twin
interfaces, the geometrical alignment between incoming and outgoing dislocations is not
perfect, but plays an important role on determining which slip systems are activated, being
the preferred outgoing system that with the maximum geometrical alignment.
The work presented in this thesis served to successfully isolate the effect of lamellar
orientation and width in a γ-TiAl alloy, and to quantify their implication on the mechanical
behaviour of isolated colonies. The methodology developed in this work can be further
extended to study the effect of other microstructural parameters, whose results can be
applied for developing mesoscale plasticity models that capture the micromechanics of fully
lamellar TiAl microstructures at larger length scales.
