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The geometric accuracy of an incrementally formed part is dependent on the underlying deformation mechanism and the residual stresses induced in the material during forming. This thesis presents new insights into the deformation mechanism and residual stresses of the Single Point Incremental Forming (SPIF) variant of the ISF process. In addition, strategies to control, suppress and adjust the deformation mechanism and residual stresses to increase the geometric accuracy and improve part properties are presented.
The deformation mechanism of the ISF process is investigated. A novel methodology is developed to split the plastic energy dissipation during the SPIF process as a contributions of energies from dominant deformation modes. It is found that the dominant deformation mode can be bending, shear or membrane stretching, depending on the selected values of the process parameters. By controlling the contribution of each deformation mechanism, the outcome of the SPIF process can be designed for maximum geometric accuracy within the constraints of process time and formability.
The build-up of the residual stresses in the SPIF process is investigated and a relation between the geometric accuracy and the residual stresses under changing process parameters is developed. The wall angle parameter has the highest influence on residual stresses. Moreover, the intensity and the magnitude of the residual stresses can be controlled by adjusting the process parameters.
A direct approach based on post-forming Stress Relief Annealing (SRA) is developed to suppress residual stresses and increase geometric accuracy. In this regard, a modular tooling set-up is designed to perform the SRA under partial constraint. For maximum efficiency, optimal SRA parameters are determined. Two parts with practical significance are incrementally formed and subsequently stress relief annealed. A considerable increase in the geometric accuracy is observed with SRA in comparison to the parts without SRA.
In the last part of this thesis, the very first approach is presented to generate a target distribution of high magnitude residual stresses in the ISF process for improving the mechanical properties. The desired residual stresses are generated in the conventionally formed disc springs in the surface treatment approach. In an integrated forming approach, the forming of the disc springs and the desired residual stresses are generated in a single step. Mechanical properties of the disc springs are better for both approaches in comparison to conventional disc springs. Hence, a targeted generation and distribution of the residual stresses to improve the mechanical properties is possible.
Um das volle Eigenschaftspotential von Titanaluminiden auszuschöpfen, ist eine homogene und feinkörnige Mikrostruktur notwendig. Um diese zu erreichen, erweist sich Schmieden als ideal, da so eine Rekristallisation und damit Kornfeinung mit einer Formgebung kombiniert werden kann. Die aktuelle Legierungsentwicklung zielt mit β-stabilisierten Legierungen darauf ab, konventionelle Umformverfahren für die sonst schwer umformbaren γ-TiAl-Legierungen zu erschließen. Dadurch ließe sich eine für den industriellen Einsatz notwendige Kostenreduktion in der Herstellung von geschmiedeten Bauteilen auf Basis von Titanaluminiden erreichen. Aus diesem Grund wurden drei β-stabilsierte Legierungsvarianten gewählt und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Umformbarkeit mit TNB-V2, einer der Legierungen, die den Stand der Technik zu Beginn dieser Arbeit darstellt, verglichen. Als optimal, hinsichtlich der geforderten Eigenschaften, erwies sich die Legierung Ti-44,5Al-6,25Nb-0,8Mo-0,1B, welche im weiteren Verlauf des Projektes als TNB-V4 bezeichnet wird.
Da die notwendigen Prozessparameter für die Umformung der jeweiligen Legierung angepasst werden müssen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein entsprechendes Prozessfenster für TNB-V4 entwickelt. Die optimalen Parameter für eine Umformung sind eine Umformtemperatur im Bereich von 1210 - 1290 °C, eine Umformgeschwindigkeit von < 5∙10^(-3) s^(-1) und ein Umformgrad von φ>65 %. Die sehr hohen Umformtemperaturen und die Affinität zu Sauerstoff machen eine Schutzgasatmosphäre bzw. Vakuum während der Umformung unabdingbar. Aufbauend auf dem feinkörnigen Gefüge nach Umformung lässt sich das Gefüge durch gezieltes Wärmebehandeln hinsichtlich Phasenaufteilung und Gefügeaufbau in gewissen Grenzen den Erfordernissen anpassen. Als ideale Wärmebehandlungsparameter erwiesen sich ein Lösungsglühen bei 1270 °C für eine Stunde mit Luftabkühlung und anschließendes Auslagern bei 800 °C für sechs Stunden mit Ofenabkühlung.
Anhand einer Bauteilschmiedung wurde gezeigt, dass das im Labormaßstab entwickelte Prozessfenster auch auf große Bauteile übertragen werden kann. Dies gilt allerdings nicht für die Wärmebehandlung, da die chemische Zusammensetzung der geschmiedeten Bauteile zu stark von den zuvor untersuchten Proben abwich. Um über mehrere Chargen hinweg die gleichen Eigenschaften gewährleisten zu können, müssen daher die Parameter individuell angepasst werden.