Dynamore Luftfahrtforschung: Blechformteile aus Titanlegierungen

Redakteur: M.A. Frauke Finus

In Zusammenarbeit mit den Partnern Heggemann und Fau untersucht das Dynamore MCC im Rahmen des vorerst auf vier Jahre ausgelegten Forschungsprojekts Tistraq die Herstellung von Blechformteilen aus Titanlegierungen für die Luftfahrt.

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Der Arbeitsplan sieht vielfältige experimentelle Untersuchungen zum Abkühlverhalten von TiAl6V4 bei diversen Abkühlgeschwindigkeiten, sowie mechanische Untersuchungen der erzeugten Gefüge vor. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse entwickelt Dynamore ein thermomechanisch gekoppeltes Simulationsmodel, das in der Lage ist, den gesamten Umformprozess eines Bauteils zu beschreiben.
Der Arbeitsplan sieht vielfältige experimentelle Untersuchungen zum Abkühlverhalten von TiAl6V4 bei diversen Abkühlgeschwindigkeiten, sowie mechanische Untersuchungen der erzeugten Gefüge vor. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse entwickelt Dynamore ein thermomechanisch gekoppeltes Simulationsmodel, das in der Lage ist, den gesamten Umformprozess eines Bauteils zu beschreiben.
(Bild: Dynamore)

Hauptziel des Juli 2020 vom BMWi im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms der Bundesregierung geförderten Verbundprojektes Tistraq (Titanium Solution Treated & Rapid Quenching) ist die Entwicklung eines Umformprozesses für die energie- und materialeffiziente Herstellung von Blechformteilen aus α+β-Titanlegierungen mit gesteigerten mechanischen Kennwerten durch eine prozessintegrierte Wärmebehandlung. Dabei werden erstmalig α+β-Titanlegierungen resistiv schnellerwärmt und mit gekühlten Werkzeugen abschreckumgeformt. Die prozessintegrierte Wärmebehandlung (Umformung und Abschrecken in einem Schritt) erhöht das Leichtbaupotential durch die Steigerung mechanischer Eigenschaften und senkt die Herstellkosten für blechbasierte Titanbauteile durch den Entfall einer nachgelagerten Wärmebehandlung. Durch die angestrebte sehr kurze Prozesszeit (STQ: short time quenching) soll zudem die Bildung einer sauerstoffangereicherten spröden Randschicht weitestgehend vermieden werden. Die Umformung von α+β-Titanlegierungen mit prozessintegrierter Wärmebehandlung führt zu einer im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik ökologisch und ökonomisch effizienteren Herstellung von Titanstrukturen mit zugleich hohem Leichtbaupotential durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie Dynamore mitteilt. Der STQ-Prozess bietet somit ein großes Potential für die Steigerung der Leistungsfähigkeit und der Effizienz in der Luftfahrt.

Die Prozessroute basiert auf dem in der automobilen Serienfertigung erfolgreich für die Warmumformung von Stählen eingesetzten Presshärten. Gemeinsam mit den Projektpartnern soll der Prozess für Titanlegierungen entwickelt und der Nachweis erbracht werden, dass der Prozess simulationstechnisch beherrschbar ist und zu einer dauerhaften Erhöhung der mechanischen Kennwerte bei den verwendeten α+β-Titanlegierungen führt, wie es weiter heißt. Dynamore übernimmt die simulative, lokale Abbildung der Gefügeumwandlung im STQ-Prozess, sowie die Prognose der zugehörigen lokalen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs. Mit Erreichen dieses Zieles können die Potentiale des Verfahrens durch Optimierung des Prozesses innerhalb einer Simulationsumgebung bestimmt werden, so die Projektpartner.

Enwicklung eines hermomechanisch gekoppeltes Simulationsmodel

Der Arbeitsplan sieht vielfältige experimentelle Untersuchungen zum Abkühlverhalten von TiAl6V4 bei diversen Abkühlgeschwindigkeiten, sowie mechanische Untersuchungen der erzeugten Gefüge vor. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse entwickelt Dynamore ein thermomechanisch gekoppeltes Simulationsmodel, das in der Lage ist, den gesamten Umformprozess eines Bauteils zu beschreiben. Die lokalen Eigenschaften des Werkstoffs werden dabei mit einem Modell zur Bestimmung der Phasenumwandlungskinetik, abhängig unter anderem von Deformationshistorie und Abkühlgeschwindigkeit beschrieben. Neben der prinzipiellen Beschreibung des Modells, dessen Implementierung und Validierung, werden vom Dynamore MCC ausführliche Kalibrierungsumfänge geleistet, um den hohen Anforderungen an die Prognosefähigkeit Rechnung zu tragen, heißt es weiter.

Dazu Prof. Dr.-Ing. André Haufe, Leiter des Dynamore MCC: „Mit dem Zuspruch dieses Forschungsprojekts können wir unsere simulationstechnische Kompetenz im industriell-werkstoffwissenschaftlichen Bereich weiter ausbauen und schaffen zusammen mit den Projektpartnern Heggemann und Fau die Basis für vielfältige, neue Applikationsmöglichkeiten von Titanblechbauteilen.“

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