Hot working and damage behaviour of additively manufactured Ti6Al4V
Final Report Abstract
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 Projekts war es, dass durch Fertigung angepasster Vorformen mittels AM Schmiedestufen und -werkzeuge eingespart und eine hohe Materialausnutzung erreicht werden kann. Das Schmieden additiv gefertigter Vorformen war zu Projektbeginn noch sehr wenig erforscht. Die Ergebnisse zeigen, dass additiv gefertigte Proben deutlich geringere Fließspannungen und höhere Globularisierungsraten als konventionelles Stabmaterial aufweisen. Damit erscheint für die Schmiedeindustrie 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. Im Projekt wurde der Nachweis erbracht, dass die Bildung von Martensit im AM-Prozess und dessen Zerfall bei Erwärmung für das ungewöhnliche Umformverhalten verantwortlich ist. Die Untersuchung des Umform-, Globularisierungs-, Schädigungs- und Anisotropieverhalten additiv mittels DED gefertigter Ti6Al4V-Proben unter Schmiedebedingungen hat ergeben, dass das Anisotropie- und Schädigungsverhalten für die Praxis vernachlässigbar sind, da sich additiv gefertigtes Material in dieser Hinsicht nicht von konventionellem Material unterscheidet. Lediglich beim Fließspannungsverlauf und der Globularisierungskinetik wurden deutliche Unterschiede festgestellt und ein Werkstoffmodell für das Umform- und Umwandlungsverhalten der additiv hergestellten Vorformen entwickelt, dass sowohl die experimentell ermittelten Aktivierungsenergien der Warmumformung als auch die Fließspannungsverläufe präzise vorhersagen kann. Zentrale Erkenntnis bei der Modellentwicklung war, dass die räumliche Anordnung der Phasen durch geeignete Mischungsregeln berücksichtigt werden muss. Aus Sicht der Anwendung können sowohl die experimentellen Ergebnisse verwendet werden, die gezeigt haben, dass der WAAM Prozess die besten Umformeigenschaften bei minimalen Herstellkosten ermöglicht, als auch das Modell selbst, das eine Auslegung der Umformprozesse ermöglicht. Damit konnten die Grundlagen für den Einsatz additiv gefertigter Ti6Al4V-Vorformen für Schmiedeprozesse gelegt werden.
Publications
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Laser Metal Deposition of Ti-6Al-4V with a Direct Diode Laser Set-up and Coaxial Material Feed. Procedia Manufacturing, 47, 1154-1158.
Silze, Frank; Schnick, Michael; Sizova, Irina & Bambach, Markus
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Prediction of Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Forgings Based on Simulation of Microstructure Evolution. Procedia Manufacturing, 47, 1468-1475.
Alimov, Artem; Sizova, Irina; Biba, Nikolay & Bambach, Markus
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On the hot deformation behavior of Ti-6Al-4V made by additive manufacturing. Journal of Materials Processing Technology, 288, 116840.
Bambach, Markus; Sizova, Irina; Szyndler, Joanna; Bennett, Jennifer; Hyatt, Greg; Cao, Jian; Papke, Thomas & Merklein, Marion
