Gefügeausbildung beim selektiven Laserstrahlschmelzen von Titanlegierungen und Einfluss auf die Zerspanbarkeit
Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurden mit einem additiven Fertigungsverfahren, dem pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (Powder Bed Fusion-Laser Beam, nachfolgend: PBF-LB), erfolgreich gezielte Änderungen in der Gefügestruktur einer Titanlegierung eingestellt. Diese Änderungen betrafen die Phasenzusammensetzung, Korngrößen und Dichten. Für die Studie wurde die β-nahe Titanlegierung Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (in Massenanteilen %, kurz: Ti-5553) gewählt. Aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften, wie hohe Zugfestigkeit bei geringer Dichte (4,65 g/cm3), wird diese Legierung typischerweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Das Gefüge der Ti-5553 erstarrt unter gleichgewichtsnahen Abkühlbedingungen zweiphasig, bestehend aus einer kubischen β-Phase, die die Matrix bildet, und einer hexagonalen α-Phase. Gezielte Wärmebehandlungen führen zur Ausscheidung der α-Phase in platten- und/oder kugelförmiger Modifikation in unterschiedlichen Volumengehalten, wodurch gezielt mechanische Eigenschaften wie Duktilität, Härte und Zähigkeit eingestellt werden können. Dadurch eignet sich diese Legierung besonders für strukturell beanspruchte Bauteile wie Fahrwerke und Rahmenbereiche in Flugzeugen. In der Regel wird dieser Werkstoff konventionell durch thermomechanische Behandlungen verarbeitet. Die spanende Bearbeitung führt jedoch aufgrund der mechanischen Eigenschaften sowie der geringen Wärmeleitfähigkeit der Legierung zu einem hohen Verschleiß der Zerspanwerkzeuge und damit zu einer deutlichen Reduzierung der Einsatzzeiten. Durch gezielte Anpassung der Prozessparameter im PBF-LB-Prozess konnten riss- und verzugsfreie Bauteile mit einer relativen Dichte >99 % erzeugt werden. Dabei wurden Gefügestrukturen von reinem β-Gefüge mit unterschiedlichen Korngrößen sowie Bauteile mit Anteilen der α-Phase direkt im PBF-LB-Prozess (as-built) hergestellt. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Baurichtung auf die Eigenschaften der Bauteile untersucht. Nach einer vollständigen Charakterisierung der Bauteile bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer Gefüge sowie der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften wurde die Zerspanbarkeit untersucht und bewertet. Hierbei wurden Werkzeugverschleiß, Standzeiten und Spanbildung durch Fräsuntersuchungen analysiert. Es wurde gezeigt, dass durch gezielte Einstellung des Gefüges im PBF-LB-Prozess der Werkzeugverschleiß signifikant reduziert werden kann. Im weiteren Verlauf des Projekts wurden industrielle Wärmebehandlungen (BASCA, STA) an den mit PBF-LB gefertigten Proben durchgeführt, wodurch die mechanischen Eigenschaften bzgl. Zerspanungsverhalten verbessert wurden. Der Einfluss der unterschiedlichen Prozessparameter der additiven Fertigung auf den Werkzeugverschleiß blieb nach der Wärmebehandlung bestehen, und bei den wärmebehandelten, additiv gefertigten Proben wurden höhere Standzeiten erzielt als bei den konventionell hergestellten und wärmebehandelten Proben. Im Rahmen des Projekts wurden Modelle zur Simulation der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der verwendeten Prozessparameter in der additiven Fertigung entwickelt. Allerdings besteht weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich der Einflussgrößen im PBF-LB-Prozess auf die Zerspanung und deren mögliche Übertragbarkeit auf andere Werkstoffe.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Wirtschaftliche Zerspanung additiv gefertigter Titankomponenten. Zerspanungstechnik.de, 2022
Worpenberg, S.
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Einfluss des Fertigungsprozesses auf die Zerspanbarkeit von additiv gefertigten Ti-5553. Werkstatt + Betrieb 6/2023
Denkena, B.; Bergmann, B. & Worpenberg, S.
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Influence of LPBF-parameters and heat treatment on machinability and chip formation of additively manufactured Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr alloy. Vortrag FEMS EU- ROMAT 2023, Frankfurt am Main, 07.09.2023
Denkena, B.; Bergmann, B.; Worpenberg, S.; Hufenbach, J.K.; Kühn, U. & Kunz, C.
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Tuning the materials properties of Ti-5553 by specific modification of the process parameters during LPBF. Vortrag LightMAT 2023, Trondheim, 22.06.2023
Kunz, C.; Worpenberg, S.; Kühn, U.; Bergmann, B.; Denkena, B. & Hufenbach, J.K.
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Zerspanbarkeit additiv gefertigter Titanbauteile. VDI-Z, 165(11-12), 18-20.
Denkena, Berend; Hufenbach, Julia; Bergmann, Benjamin; Kühn, Uta; Kunz, Clemens & Worpenberg, Sebastian
