Erweiterung der Formgebungsgrenzen beim isothermen Umformen von Gamma-Titan-Aluminiden auf der Basis iterativer Kennwertermittlung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens war die Erweiterung der Formgebungsgrenzen beim isothermen Umfomen von γ-Titan-Aluminiden (γTiAl) auf der Basis iterativer Kennwertermittlung. Mit diesen Werkstoffen ist die Herstellung der oftmals komplexen Werkstückgeometrien nur über Sonderumformverfahren wie das isotherme Schmieden möglich, bei dem − im Vergleich zum konventionellen Schmieden − eine günstigere Umformbarkeit durch zunehmend höhere Umformtemperaturen bei allerdings wesentlich niedrigeren Umformgeschwindigkeiten erreicht wird. Im Mittelpunkt der experimentellen Untersuchungen stand daher die isotherme Umformung von γTiAl. Um die geforderten Umformgeschwindigkeiten und Temperaturen zu beherrschen, wurde ein Versuchsstand mit einer hydraulischen Stauchkraft von 1000 kN aufgebaut. Die Stempel (oberer und unterer) bestehen aus hitzebeständigen TZM-Platten (in Gew %: 0,5 Ti, 0,08 Zr, 0,02 C, Rest Mo.) und isolierten Keramik-Platten (Al2O3), um genau die gleiche Temperatur auf den Platten, die in Kontakt mit der Probe sind, sicher zu beherrschen. Isotherme Stauchversuche wurden bei Temperaturen von 900°C und 1100°C und Umformgeschwindigkeiten von 10-4 s-1 und 10-2 s-1 durchgeführt. Anhand der aufgenommenen Prozessdaten wurde ein inverses Verfahren basierend auf der Finite-Elemente-Methode angewendet und die Fließkurven in Abhängigkeit von Dehnung und Dehnrate ermittelt. Die ermittelten Materialkennwerte können zur Erweiterung bestehender Verfahrensgrenzen bzw. im Legierungs-Entwicklungsprozess von γTiAl genutzt werden. Das Umformverhalten der Legierungsvarianten Ti-44,5Al-3,5Nb-0,8Mo-0,1B (TNMB1-LB-S) im stranggepressten Zustand und Ti-43,5Al-4Nb-1Mo-0,1B (TNM-B1-Std-G) im gegossenen Zustand wurde untersucht. Dazu wurde eine innovative Versuchseinrichtung entwickelt und realisiert, die in der Lage ist, Proben unter extrem niedrigen Umformgeschwindigkeiten von bis zu 10-4 s-1 und mit hoher Verfahrgenauigkeit (± 1 µm) umzuformen. Anhand dieses Versuchsaufbaus wurden isotherme Stauchversuche bei Temperaturen von 900°C und 1100°C und Umformgeschwindigkeiten von 10-4 s-1 und 10-2 s-1 durchgeführt. Anschließend wurden die Reibungskoeffizienten mithilfe der Finiten-Element-Methode iterativ bestimmt und die Fließkurven nach der Formulierung von Siebel korrigiert. Ziel der Untersuchungen war die Analyse und Erweiterung der Formgebungsgrenzen von γTiAl Legierungen. Besonders bei den gegossenen Halbzeugen ist dies von großer Bedeutung, denn dadurch könnte eine Verkürzung der Herstellungskette ermöglicht werden, indem z.B. das Strangpressen und Wärmebehandlung zur Kornverfeinerung und zur Erhöhung der Umformbarkeit vermindert oder gar darauf verzichtet werden. Ein Vergleich der Umformbarkeit zwischen gegossenen und stranggepressten Halbzeugen zeigte, dass die stranggepressten Halbzeugen bei gleicher Prozessführung zwar höhere Umformgrenzen aufweisen, allerdings konnte durch die Optimierung der Prozessführung (Umformgeschwindigkeit, Temperatur) auch die Formgebungsgrenzen von gegossenen Halbzeugen deutlich erweitert werden. Dabei war das erreichte superplastische Umformverhalten vergleichbar mit dessen des stranggepressten Werkstoffes. Die Erhöhung der Formgebungsgrenzen bei den γTiAl Legierungen ermöglicht eine Erweiterung deren Einsatzgebiete zur Herstellung von hochbeanspruchten Bauteilen mit verbesserten Eigenschaften, z.B. Turbinenschaufeln für Flugzeuge und Pleuelstangen für Verbrennungsmotoren, die in Großserie gefertigt werden. Um hohe Taktzeiten zu realisieren, ist eine lange Werkzeuglebensdauer bei extremen Temperaturbelastungen erforderlich. Bei den im Rahmen dieses Projektes durchgeführten experimentellen Arbeiten stellte sich jedoch die Lebensdauer des eingesetzten Werkzeuges (Stempel) als relativ kurz dar. Daher mussten die Stempeleinsätze nach einigen wenigen Versuchen ersetzt werden. Die Untersuchung und Erweiterung der Werkzeuglebensdauer bei den sehr hohen Einsatztemperaturen soll der Schwerpunkt zukünftiger Arbeiten darstellen.
