Warmumform- und Schädigungsverhalten von additiv gefertigtem Ti6Al4V

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Bambach
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428946815

Durch aktuelle Trends zum Einsatz von CFK werden in Luftfahrtanwendungen zunehmend Aluminium-Strukturbauteile durch Titanbauteile ersetzt, da die höchstfesten Al-Werkstoffe im Kontakt mit CFK zur Korrosion neigen. Aktuell liegt der Anteil an Titanwerkstoffen beim Airbus A350 bereits bei ca. 14% (zum Vergleich: A320 -> 3%). Bei geschmiedeten Titanbauteilen ist die Materialausnutzung teilweise geringer als 10%. Aufgrund der aufwändigen Herstellung und hohen Kosten von Titan ist die geringe Materialausbeute nicht tolerierbar. Die aktuell intensiv untersuchten additiven Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing - AM) bieten bei der Einzelteil- und Kleinserien-Fertigung große Vorteile, u.a. eine endkonturnahe Fertigung. Aufgrund der geringen Aufbauraten und hohen Kosten sind Pulverbett-basierte AM-Prozesse für großvolumige Titanbauteile jedoch kaum einsetzbar. Als Alternativen werden aktuell AM-Verfahren unter Nutzung von Laser-, Lichtbogen- und Plasma-Schweißverfahren (Directed Energy Deposition – DED) untersucht. Hier stehen dem Einsatz die langen Fertigungszeiten, die Reproduzierbarkeit und die hohen Eigenspannungen entgegen. Zentrale Hypothese des Antrags ist, dass durch Fertigung angepasster Vorformen mittels AM Schmiedestufen und -werkzeuge eingespart und eine hohe Materialausnutzung erreicht werden kann. Kann die feine Mikrostruktur der AM-Vorformen in das geschmiedete Bauteil übertragen werden, können ggf. verbesserte mechanische Kennwerte realisiert werden. Das Schmieden additiv gefertigter Vorformen ist aktuell noch sehr wenig erforscht. Eigene Vorarbeiten zeigen, dass additiv gefertigte Proben deutlich geringere Fließspannungen und höhere Globularisierungsraten als konventionelles Stabmaterial aufweisen. Damit erscheint eine Reduktion der Umformkräfte und Werkzeugbelastung und ein Schmieden mit geringem Aufmaß möglich, da die geforderten Anteile an globularisiertem Gefüge schon bei geringen Umformgraden erreicht werden. Anhand der Vorarbeiten wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Bildung von Martensit im AM-Prozess und dessen Zerfall bei Erwärmung für das ungewöhnliche Umformverhalten verantwortlich ist. Ziel dieses Projekts ist es, das Umform-, Globularisierungs-, Schädigungs- und Anisotropieverhalten additiv mittels DED gefertigter Ti6Al4V-Proben unter Schmiedebedingungen als Funktion der Mikrostruktur und der Probenlage relativ zu den Schweißraupen zu charakterisieren und ein gekoppeltes Werkstoffmodell für das Umform- und Umwandlungsverhalten, die Schädigung und die Anisotropie der additiv hergestellten Vorformen zu entwickeln. Um eine möglichst breite Variation von beta-Korngrößen und Martensitanteilen einzustellen, soll die Vorformherstellung mittels Pulver-Laserauftragschweißen (kleine Körner und vollständig martensitisches Gefüge) und Lichtbogenauftragschweißen (große beta-Körner und Widmannstättengefüge) erfolgen. Damit sollen die Grundlagen für den Einsatz additiv gefertigter Vorformen für Schmiedeprozesse gelegt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz