Prozessbeschleunigung des Isothermschmiedens von Titanaluminiden durch mikrostrukturadaptive Geschwindigkeitssteuerung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Bambach; Professorin Dr.-Ing. Sabine Weiß
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325021729

Das Schmieden intermetallischer Titanaluminide (TiAl), die z.B. in modernen Triebwerken für Turbinen¬schaufeln eingesetzt werden, kann aktuell nur als zweistufiger Isothermschmiedeprozess, bei Temperaturen von mindestens 1200°C und Prozesszeiten von mehreren Minuten pro Hub, erfolgen. Damit sind lange Prozesszeiten, eine hohe Belastung der extrem teuren Molybdän-Basis-Gesenke und hohe Herstellungskosten verbunden, die einer breiteren Anwendung von TiAl entgegenstehen. Der vorliegende Projektantrag verfolgt das Ziel, den Isothermschmiedeprozess von TNM-B1, der industriell mit konstanter Stößelgeschwindigkeit erfolgt, durch gezielte Steuerung der Stößelbewegung zu verkürzen. Die Arbeiten der ersten Förderperiode belegen sowohl experimentell als auch simulativ, dass der Umformprozess durch eine vorher durchgeführte Wärmebehandlung erheblich beschleunigt werden kann, ohne dabei eine erhöhte Schädigung im Material hervorzurufen. Bisher wird nur das material¬spezifische Ver-/Entfestigungsverhalten berücksichtigt und nicht die hohe Varianz des Materials, der Einfluss der Werkstückgeometrie oder die komplexe Gefüge- und Schädigungs¬entwicklung des Werkstoffs während der Verformung. Um diese Faktoren einzubeziehen soll eine Prozessteuerung entwickelt werden, welche einen Machine-Learning (ML)-Algorithmus, das schon vorhandene FEM-Modell sowie ein Schadensmodell verbindet. Mittels FEM werden das variable Materialverhalten sowie die unterschiedlichen Werkstückgeometrien während der Umformung simuliert. Ein Gurson-Tvergaard-Needleman-Schadensmodell soll an Titanaluminide angepasst und mit dem FEM-Modell gekoppelt werden. Der ML-Algorithmus wird die Stößelgeschwindigkeit anschließend, entsprechend der Werkstückgeometrie, der Materialvarianz und dem vorhergesagten Schädigungsverhalten anpassen. Um ein tiefer greifendes Wissen über die Mikrostrukturentwicklung von TNM-B1 während der Warmumformung zu gewinnen, werden In-situ-Druckversuche mit begleitender Gefüge- und Phasenanalyse (DESY – Petra III) durchgeführt. Die Ergebnisse werden Aufschluss über die genaue Phasenzusammensetzung und die Initiierung der Rekristallisation bringen. Einzelheiten darüber, warum die Wärmebehandlung unabhängig von den Testbedingungen zu einer verringerten Fließspannung führt, werden ebenfalls erwartet. Bei der Wärmebehandlung von größeren Bauteilen, wie z.B. Turbinenschaufeln, bildet sich ein Temperaturgradient aus. Die oberflächennahen Bereiche kühlen schneller ab als das Innere des Bauteils, was zu unterschiedlichen globularen, lamellaren und perlitisch/zellularen Gefügeanteilen über dem Bauteilquerschnitt führt. Um den Mikrostrukturgradienten zu bewerten, wird ein Schmiederohling die gesamte Prozesskette, sowohl für konstante als auch für beschleunigte Versuchsführung, durchlaufen. Darüber hinaus wird eine Nachwärmebehandlung zur Einstellung der gewünschten, endgültigen Gefüge und mechanischen Eigenschaften entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen