Titan als Schmiedewerkstoff

Titanlegierungen gelten als echte Alternative zu den bekannten Werkstoffen wobei die Bauteile durch schmieden erzeugt werden. Titan und Titanlegierungen stellen seit ihrer ersten Entwicklung um 1940...

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Titanlegierungen gelten als echte Alternative zu den bekannten Werkstoffen wobei die Bauteile durch schmieden erzeugt werden. Titan und Titanlegierungen stellen seit ihrer ersten Entwicklung um 1940 eine wichtige Alternative zu existierenden Werkstoffen wie Stahl, Aluminium und Nickelsuperlegierungen dar. Ihre Attraktivität liegt vor allem in einer ausgezeichneten Kombination von spezifischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Mit einer Dichte von etwa 4,5 g/cm3 liegt Titan zwischen Aluminium (2,7 g/cm3) und Stahl (7,8 g/cm3). Der technisch interessante Festigkeitsbereich bei Raumtemperatur erstreckt sich von Rp0,2 ® 800 bis etwa 1300 MPa.Titan-Produkte werden durch Schmieden, Gießen, aber auch pulvermetallurgisch hergestellt. Das Schmieden ist die mit Abstand häufigste Verarbeitungsform. Sie bietet die Möglichkeit, über die Umformung und Wärmebehandlung ganz gezielt eine Vielfalt von Gefügen und Eigenschaften einzustellen. Zudem erlaubt das Schmieden auch die Herstellung größerer Querschnitte im Vergleich zum Gießen, und durch eine geeignete Prozessführung beziehungsweise -kontrolle lassen sich gut reproduzierbare Eigenschaften einstellen.Es gibt inzwischen ein weites Anwendungsspektrum für Titanlegierungen mit Schwerpunkt in der Luft- und Raumfahrt, aber zunehmend auch in der Medizintechnik, dem Maschinenbau und dem Automobilbau (Tabelle 1). Der Werkstoff findet überall dort Anwendung, wo bei hoher physikalischer und thermischer Belastung niedrige Gewichte eine hohe Rolle spielen. Die Titanlegierungen werden abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung in a-, a+b- und b-Legierungen unterteilt.Die Eigenschaften ergeben sich jeweils aus den Bestandteilen der unterschiedlichen Phasen. Während zum Beispiel a- oder Near-a-Legierungen mit ihrer guten Kriechbeständigkeit und Schweißbarkeit optimal für Triebwerksanwendungen geeignet sind, zeigen die b-Legierungen ein sehr hohes Festigkeitspotential, allerdings mit Einbußen bei der Schweißbarkeit und Warmfestigkeit. Neben der chemischen Zusammensetzung haben die Gefüge einen maßgeblichen Einfluss auf die Eigenschaften.Produktentwicklung und ProzessauslegungBetrachtet man die lamellaren Gefüge, so erkennt man die Unterschiede, die durch b-Glühen beziehungsweise b-Schmieden entstanden sind. Durch die Umformung werden die ausgeprägten und schädlichen Belegungen von Korngrenzen mit a-Phase vermieden. Die beiden mittleren Bilder zeigen bimodale Gefüge, das heißt, runde a-Phase, die von Umwandlungsgefüge umgeben ist. Die a-Anteile und die Feinheit des Umwandlungsgefüges lassen sich durch die Lösungsglühtemperatur beziehungsweise die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Lösungsglühen beeinflussen. Wird bei relativ niedriger Temperatur umgeformt oder nach der Umformung sehr langsam abgekühlt, entstehen globulare Gefüge mit hohem a-Anteil, die je nach Vorgeschichte unterschiedlich fein ausfallen.In der Tabelle 2 sind Eigenschaften von zwei typischen Titan-Schmiedelegierungen zusammengestellt. Aufgrund der vielfältigen Anwendungen von Titanschmiedeteilen steht am Anfang jeder Schmiedeteilfertigung eine Produktentwicklung die im Konstruktionsprozess die Prozessauslegung stark berücksichtigt. Dies beinhaltet neben den Schmiedeteiltoleranzen ebenso die häufig notwendige vollständige Bearbeitung, aber auch die für den Umformprozess entscheidenden Parameter wie Umformtemperatur, -grad und -geschwindigkeit.Um diese Parameter besser beinflussen zu können, sind daher für das Gesenkschmieden bei kritischen Werkstoffen oder Bauteilen hydraulische Pressen gegenüber schnellen mechanischen Pressen oder Hämmern im Vorteil, da hier die Gefahr der Rissbildung und der Überhitzung durch die eingebrachte Umformwärme besser kontrolliert werden kann. Für eine vollständige Beschreibung des Fertigungsprozesses müssen zusätzlich die Reibbedingungen, die Werkzeugtemperatur, die Transferzeiten vor und nach der Umformung, das Gefüge und die Umformgeschichte des Vormaterials berücksichtigt werden.Optimale Bauteile durch die FEM-ProzesssimulationDarüber hinaus gilt es natürlich, ein fehlerfreies Produkt mit möglichst geringem Einsatz des teuren Werkstoffs herzustellen.Um diese hohe Anzahl von unterschiedlichen Einflussgrößen steuern zu können, ist der Einsatz einer unterstützenden Prozesssimulation mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode unumgänglich. Hierbei wird möglichst die gesamte Prozesskette der Fertigung vom Vormaterial bis zur Abkühlung des geschmiedeten Produkts simuliert. Hierdurch wird schon in der Produktentwicklung das thermisch erlaubte Fertigungsfenster definiert und das Produkt hinsichtlich seiner Fertigungsmöglichkeiten überprüft (Bild 1). Dies führt zwar zu längeren Konstruktionszeiten durch die gegebenenfalls notwendigen Schleifen, reduziert aber letztendlich die Gesamtdurchlaufzeit in den Fertigungsbetrieben und somit auch die Entwicklungskosten.Da Schmiedeteile für Luftfahrtanwendungen im Vergleich zu Schmiedeteilen in der Automobilindustrie nur in geringeren Stückzahlen hergestellt werden (20 bis 3000 Teile/Jahr), wird versucht die Anzahl der notwendigen Werkzeuge einzuschränken. Dies geschieht zum Beispiel durch den Einsatz von nicht formgebundenen Werkzeugen wie Freiformschmieden oder Wasserstrahlschneiden beispielsweise zum Entgraten. Im den Bildern 2, 3 und 4 sind einige typische Anwendungsfälle mit grober Beschreibung der Fertigung dargestellt.Durch die hohen Vormaterial-kosten und die teilweise langen Planungszeiten ist der industrielle Einsatz von Titanschmiedeteilen derzeit noch zum großen Teil auf die Luftfahrtindustrie beschränkt. Daher gehen die nächsten Entwicklungsschritte in die Richtung, die Wirtschaftlichkeit durch konturnäheres Schmieden und bessere Oberflächenqualitäten zu steigern. Wenn auf dieser Basis die Einsatzgebiete zu höheren Stückzahlen verschoben werden, ist davon auszugehen, dass sich ebenfalls die Vormaterialversorgung deutlich verbessern wird.