Vergleich unterschiedlicher Fertigungsabläufe beim Pulverschmieden und Pulverpressen von Titan
Final Report Abstract
Während im ersten Antragszeitraum unterschiedlichen Verfahrensvarianten bei der Herstellung komplexer Sinterbauteile aus Titan verglichen wurden, wurde im zweiten Antragszeitraum eine Optimierung des Press- und des Schmiedeprozesses angestrebt. Das Ziel experimenteller und numerischer Folgeuntersuchungen war eine Verbesserung des Verdichtungsverhaltens von Titanpulver und eine Reduzierung der Gefügeporosität sowohl beim Pulverpressen als auch beim Pulverschmieden. Eine Abnahme der Porosität ist gleichbedeutend mit der Steigerung der Materialdichte, die eine deutliche Erhöhung der Festigkeitseigenschaften zur Folge hat. Im Vergleich zu anderen metallischen Pulvern weist Titan sehr hohe Reibneigung auf, sowohl gegenüber den Werkzeugkomponenten als auch zwischen den Pulverpartikeln untereinander. Dies resultiert in einem herabgesetzten Verdichtungsgrad und einer ungleichmäßigen Dichteverteilung innerhalb des Presskörpers. Zur Reduzierung der Reibung zwischen der Matrizenwand und dem Titanpulver wurde zuerst der Ansatz verfolgt, auf die Matrize einen Trockenschmierstoff dünnschichtig aufzutragen. Der elektrostatisch aufgetragene Schmierstoff auf Bornitrid-Basis hat durch Reduzierung der Wandreibung eine deutliche Erhöhung der Materialdichte bewirkt. Die Dichteverteilung konnte durch Werkzeugschmierung jedoch nicht wesentlich beeinflusst werden. Ein weiterer Ansatz zur Reduzierung der Reibung ist die Einbringung oszillatorischer Schwingungen in formgebende Werkzeugkomponenten. Die Schwingungen werden an der Stelle der höchsten Werkzeugbeanspruchung eingeleitet, d.h. in die Pressmatrize, die sich außerhalb des Hauptkraftflusses befindet. Durch Erhöhung der Relativbewegung zwischen Pulver und Werkzeugwand wird das Haften einzelner Pulverschichten vermieden und dadurch eine bessere Materialhomogenität erreicht. Während der experimentellen Untersuchungen wurden die optimalen Schwingparameter hinsichtlich einer maximalen Materialdichte für Ti-Pulver ermittelt. Durch Einsatz von Matrizenschwingungen konnte nicht nur die Gesamtdichte des Presslings sondern auch die Dichteverteilung positiv beeinflusst werden. Bei Pressungen, die in einem Frequenzbereich von 45 bis 60 Hz verdichtet sind, wurde der niedrigste Dichtegradient gemessen. Die gepressten Bauteile wurden in einem Ofen unter Hochvakuum gesintert. Anschließend wurden die Rohteile in einer Schmiedeoperation zu den endkonturnahen Fertigteilen isotherm geschmiedet. Das Ziel des Schmiedens ist sowohl die Erhaltung einer gewünschten Kontur als auch eine weitere Steigerung der Materialdichte. Da der Werkstoff Titan möglichst unter isothermen Bedingungen geschmiedet werden soll, wurden die formgebenden Werkzeugkomponenten aus einer hochtemperaturbeständigen Nickel-Basis-Legierung gefertigt. Durch das Isothermschmieden konnte sowohl eine deutliche Erhöhung der Materialdichte als auch ein optimales Formfüllverhalten erreicht werden. Es konnte gezeigt werden, dass durch entsprechende Maßnahmen während des Pulverpressen und des Pulverschmiedens eine deutliche Verbesserung des Verdichtungsverhaltens bei Ti-Pulver erreicht werden kann.
Publications
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Application of Tool Vibration in Die Pressing of Ti-Powder. Product Engineering - Research and Development, Springer Verlag, Band 4, Ausgabe 6, S. 545, 2010
Behrens, B.-A; Gastan, E.; Vahed, N.
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Axialpressen von Titanpulver unter Schwingungseinwirkung. Metall, Giesel Verlag, Ausgabe 6/2010, S. 288- 291
Behrens, B.-A; Gastan, E.
