Prozessbeschleunigung des Isothermschmiedens von Titanaluminiden durch mikrostrukturadaptive Geschwindigkeitssteuerung
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens ist es, durch eine mikrostrukturadaptive Geschwindigkeitssteuerung eine Prozessbeschleunigung beim isothermen Schmieden von Titanaluminiden, zu erlangen. Durch Bestimmung der Entfestigungskinetiken und Grenzformänderungen unter transienten Umformbedingungen konnte die Entfestigung des Werkstoffs während der Umformung nach dem Fließspannungspeak genutzt werden, um den Prozess beschleunigt ablaufen zu lassen. Zur technischen Realisierung der Prozessbeschleunigung wurde zunächst eine übergeordnete Prozesssteuerung, welche mit der Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine agiert, entwickelt. Diese wiederum erhält ihre Inputdaten aus der neu entwickelten Co-Simulationsprozesssteuerung, welche auf einem Machine Learning Modell basiert. Das Machine Learning Modell koppelt das FEM-Modell des Schmiedeprozesses mit der Varianz des Fließspannungsverhaltens des Werkstoffs durch entsprechende Sensorik und geniert die variable Umformgeschwindigkeit je Zykluszeit. Das Entfestigungsverhalten der Titanlegierung wurde im FEM-Modell durch die Adaption eines Schadensmodells (Gurson-Tvergaard-Needleman-Modell)für Stahl, samt Beschreibung der Porenbildung, berücksichtigt. Alle Schritte der beschleunigten Prozesskette wurden erfolgreich an mehreren Schmiederohlingen angewandt und durch Mikrostrukturanalysen begleitet. Anschließend wurden Zugversuche bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und den relevanten mechanischen Eigenschaften für jeden einzelnen Schritt der Prozesskette zu ermitteln. Ein tiefer greifendes Wissen über die während der beschleunigten Umformung ablaufenden metallkundlichen Prozesse konnte durch EBSD-Messungen erlangt werden. Dadurch konnten die genaue Phasenzusammensetzung sowie der Rekristallisationsgrad für verschieden umgeformte Zustände bestimmt werden. Mit der GOS-Methode konnte erstmalig das Rekristallisationsverhalten jeder Phase separat untersucht werden. Dies führt bei einem mehrphasigen Material, wie TNM-B1, zu einem genaueren Ergebnis als die Bestimmung des rekristallisierten Bruchteils allein über die Orientierungsdifferenz. Zum Vergleich wurden außerdem beschleunigte Umformversuche an TNB-V4 durchgeführt. Diese haben gezeigt, dass die beschleunigte Umformung bei entsprechender Adaption auch an TiAl-Legierungen mit einer anderen Zusammensetzung an βstabilisierenden Legierungselementen möglich ist. Die Materialanalysen haben gezeigt, dass die beschleunigte Umformung unter transienten Bedingungen für TNM-B1 und ähnliche TiAl-Legierungen möglich ist und zu vergleichbaren Ergebnissen führen kann wie die bisher gängige konstante Umformung dieser Werkstoffe, jedoch mit deutlich geringerer Fließspannung und somit weniger Belastung für Werkzeuge und Maschinen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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New Machine Tool Control for Hot Forming of Lightweight Materials, 36. Aachener Stahlkolloquium – Umformtechnik “Ideen Form geben“, Aachen, ISBN 978-3-95886-460-3. (2022)
Feistle, M.; Burger, S.; Li, R.; Bambach, M.; Thein, F. & Herty, M.
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Developing an artificial neural network controller for accelerating the hot deformation of the titanium aluminide TNM-B1 using reinforcement learning and finite element simulations. Journal of Intelligent Manufacturing, 35(7), 3331-3352.
Stendal, J. A. & Bambach, M.
