Herstellung und Umformung generativ gefertigter Al-Ti-Werkstoffverbunde
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Beschichtungsverfahren Kaltgasspritzen hat großes Potenzial für die additive Fertigung insbesondere von oxidationsempfindlichen Metallen, da der Werkstoff im Prozess nicht aufgeschmolzen wird. Darüber hinaus können wesentlich höhere Abscheideraten erzielt werden als mit herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen oder dem Laserauftragschweißen. Titan gilt aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaftskombination aus guter Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und hoher Festigkeit bei vergleichsweise geringer Dichte als Hochleistungswerkstoff. Aufgrund seines hohen Preises erscheint es jedoch für viele Anwendungen sinnvoll, Werkstoffverbunde zu verwenden, bei denen Titan nur an der Oberfläche des Werkstücks eingesetzt wird, während für das restliche Volumen kostengünstigere Werkstoffe wie Aluminium verwendet werden. Im vorliegenden Projekt wurden kaltgasgespritzte Reintitanschichten auf Al-Substraten abgeschieden und anschließend durch Gesenkschmieden und Rundkneten zu definierten 3-dimensionalen Endkonturen umgeformt. Aus den Untersuchungen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: 1. Dichte, dem Stand der Technik entsprechende, kaltgasgespritzte Ti-Beschichtungen sind aufgrund ihrer geringen Duktilität nicht für Niedertemperatur-Umformprozesse geeignet. 2. Kaltgasgespritzte Ti-Beschichtungen mit mittlerer Porosität (ca. 7 %) zeigen ein verbessertes Umformverhalten nach einem Vorverdichtungsschritt. 3. Al/Ti-Zwischenschichten führen zu einer Gradierung der Umformeigenschaften zwischen Al und Ti, was die Umformbarkeit von Al/Ti-Verbindungen erheblich verbessert und die Herstellung komplexer Gesenkschmiedegeometrien ermöglicht. 4. Rissfreie Al + Al/Ti + Ti-Verbindungen können durch die Kombination von Kaltgasspritzen und Rundkneten hergestellt werden. 5. Das Rundkneten erhöht sowohl die Schichtzugfestigkeit als auch die Duktilität von kaltgasgespritzten Al/Ti-Verbindungen. 6. Mithilfe der Methode der iterativen Fließkurvenmodellierung lässt sich der Gesenkschmiedeprozess kaltgasgespritzter Al/Ti-Verbunde detailgetreu modellieren. Generell ist festzustellen, dass Umformprozesse, bei denen die Beschichtung überwiegend auf Druck beansprucht wird (wie beim Rundkneten), hinsichtlich der Rissbildung deutlich unkritischer sind. Eine entscheidende Voraussetzung für ein erfolgreiches Umformergebnis scheint die Verbesserung der Kohäsion durch eine vorgelagerte Komprimierung des Beschichtungsmaterials zu sein, die vorhandene Poren schließt und somit bislang nicht gebundene Partikel in engen Kontakt bringt. Dies ist besonders wichtig für Umformprozesse, bei denen das umzuformende Bauteil oder Bereiche davon Zugspannungen ausgesetzt sind. Ein Vorstauchprozess erwies sich als geeignete Strategie, um den für das anschließende Gesenkschmieden notwendigen kohäsiven Zusammenhalt in der Beschichtung sicherzustellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical and Experimental Modeling of an Inline Forming Process for the Mechanical Property Optimization of Cold Gas Sprayed Material Composites. Lecture Notes in Production Engineering, 366-374. Springer International Publishing.
Colditz, P.; Härtel, S. & Drehmann, R.
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Forming behaviour of Al/Ti material compounds produced by cold gas spraying. 6th International Thermal Spraying and Hardfacing Conference ITSHC 2022, Wrocław, Polen
R. Drehmann, P. Colditz, M. Graf, B. Awiszus & T. Lampke
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Forming behaviour of additively manufactured Al/Ti material compounds produced by cold spraying. International Thermal Spray Conference 2023, Québec, Kanada. (Konferenzvortrag)
R. Drehmann, P. Colditz, M. Graf, A. List, F. Gärtner, B. Awiszus & T. Lampke
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Forming behaviour of additively manufactured Al/Ti material compounds produced by cold spraying. ITSC Proceedings 2023, Québec, (2023)
R. Drehmann, M. Graf, T. Lampke, P. Colditz, B. Awiszus, A. List & F. Gärtner
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Forming Behavior of Additively Manufactured Al/Ti Material Compounds Produced by Cold Spraying. Journal of Thermal Spray Technology, 33(2-3), 676-687.
Drehmann, Rico; Colditz, Pascal; Graf, Marcel; List, Alexander; Gärtner, Frank; Awiszus, Birgit & Lampke, Thomas
