Beschleunigung des Isothermschmiedens von Titanaluminiden durch gezielte Mikrostrukturentwicklung

Acceleration of isothermal forging of titanium aluminides via controlled microstructure development

  • Titanaluminide (TiAl) sind vielversprechende Hochtemperaturwerkstoffe, die aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie Anwendung finden. Die Mikrostruktur von TiAl-Legierungen spielt eine entscheidende Rolle für deren mechanische Eigenschaften und Bearbeitbarkeit. Durch gezielte Mikrostrukturentwicklung kann die Umformbarkeit und damit die Effizienz der Bearbeitungsprozesse verbessert werden. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit eine neue Prozesskette für das Schmieden von Titanaluminiden entwickelt und erprobt, um die Prozesszeiten zu reduzieren und die Wirtschaftlichkeit des Werkstoffs zu erhöhen. Die Prozesskette umfasst drei Schritte: eine Vorwärmebehandlung, eine beschleunigte Umformung und eine eigenschaftsbestimmende Nachwärmebehandlung. Die spezifische Vorwärmebehandlung zur Verbesserung der Umformbarkeit führt zu einer Mikrostruktur mit einem geringen lamellaren Anteil, einem hohen β/β0-Gehalt und einem hohen Anteil an zellularen Reaktionen. DadurchTitanaluminide (TiAl) sind vielversprechende Hochtemperaturwerkstoffe, die aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie Anwendung finden. Die Mikrostruktur von TiAl-Legierungen spielt eine entscheidende Rolle für deren mechanische Eigenschaften und Bearbeitbarkeit. Durch gezielte Mikrostrukturentwicklung kann die Umformbarkeit und damit die Effizienz der Bearbeitungsprozesse verbessert werden. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit eine neue Prozesskette für das Schmieden von Titanaluminiden entwickelt und erprobt, um die Prozesszeiten zu reduzieren und die Wirtschaftlichkeit des Werkstoffs zu erhöhen. Die Prozesskette umfasst drei Schritte: eine Vorwärmebehandlung, eine beschleunigte Umformung und eine eigenschaftsbestimmende Nachwärmebehandlung. Die spezifische Vorwärmebehandlung zur Verbesserung der Umformbarkeit führt zu einer Mikrostruktur mit einem geringen lamellaren Anteil, einem hohen β/β0-Gehalt und einem hohen Anteil an zellularen Reaktionen. Dadurch konnte die maximale Fließspannung im Vergleich zum geHIPten Zustand um ca. 20 % gesenkt werden. Es wurde ein Prozessfenster definiert, in dem der wärmebehandelte Zustand eine geringere Fließspannung und eine verbesserte Schadenstoleranz im Vergleich zum geHIPten Ausgangsmaterial aufweist. Basierend auf den Ergebnissen von Stauchversuchen mit konstanter Dehnrate wurden Dehnratenprofile mit variablen Dehnraten entwickelt, um den Umformprozess zu beschleunigen. Diese Umformung mit variabler Dehnrate wurde sowohl an zylindrischen Proben als auch an Gussrohlingen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Prozesszeiten im Vergleich zur Umformung mit konstanter Dehnrate um 50 bis 70 % reduziert werden konnten, ohne eine erhöhte Materialschädigung zu verursachen. Zudem wurde festgestellt, dass die für diese Legierung entwickelten Dehnratenprofile auf andere TiAl-Legierungen übertragbar sind. Abschließend wurde eine eigenschaftsbestimmende Nachwärmebehandlung eingesetzt, die zu einer Mikrostruktur mit verbesserten Eigenschaften führte. Die mechanischen Eigenschaften der mit der neuen Fertigungskette erzeugten Proben sind dabei mit denen der konventionellen Fertigungskette vergleichbar.show moreshow less
  • TiAl alloys are promising high-temperature materials widely used in the aerospace industry due to their low density and high specific strength. The microstructure of TiAl alloys significantly influences their mechanical properties and machinability. Specific microstructure development can enhance formability, thereby improving the efficiency of machining processes. This study developed and tested a new process chain for forging titanium aluminides to reduce process times and increase economic efficiency. The process chain consists of three steps: preheat treatment, accelerated forming, and property-defining post-heat treatment. The specific preheat treatment aimed at improving formability results in a microstructure with low lamellar content, high β/β0 content, and a high proportion of cellular reactions. Consequently, the maximum flow stress was reduced by approximately 20 % compared to the HIPed condition. A process window was identified where the heat-treated condition exhibited lower flow stress and improved damage toleranceTiAl alloys are promising high-temperature materials widely used in the aerospace industry due to their low density and high specific strength. The microstructure of TiAl alloys significantly influences their mechanical properties and machinability. Specific microstructure development can enhance formability, thereby improving the efficiency of machining processes. This study developed and tested a new process chain for forging titanium aluminides to reduce process times and increase economic efficiency. The process chain consists of three steps: preheat treatment, accelerated forming, and property-defining post-heat treatment. The specific preheat treatment aimed at improving formability results in a microstructure with low lamellar content, high β/β0 content, and a high proportion of cellular reactions. Consequently, the maximum flow stress was reduced by approximately 20 % compared to the HIPed condition. A process window was identified where the heat-treated condition exhibited lower flow stress and improved damage tolerance compared to the HIPed base material. Based on the results of hot compression tests with a constant strain rate, strain rate profiles with variable strain rates were developed to accelerate the forming process. This variable strain rate forming was performed on both cylindrical samples and cast blanks. Results showed that process times could be reduced by 50 to 70 % compared to forming with a constant strain rate, without increasing material damage. Additionally, the strain rate profiles developed for this alloy are transferable to other TiAl alloys. Finally, a property-defining post-heat treatment was applied, resulting in a microstructure with enhanced properties. The mechanical properties of the samples produced with the new manufacturing chain are comparable to those of the conventional manufacturing chain.show moreshow less

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Metadaten
Author:Mark EisentrautORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-70000
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-7000
Referee / Advisor:Sebastian HärtelORCiD, Sabine WeißORCiD, Florian PyczakORCiD
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2024
Date of final exam:2024/09/11
Release Date:2025/04/09
Tag:Mechanische Eigenschaften; TNM-B1; Titanaluminide; Umformung
Forming; Mechanical properties; Titanium aluminides
GND Keyword:TitanaluminideGND; MikrostrukturGND; SchmiedenGND; UmformenGND; ProzessketteGND; OptimierungGND
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Metallkunde und Werkstofftechnik
Licence (German):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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