Ermittlung umformtechnischer Kennwerte FKZ: 033R027A. Ressourceneffiziente Formgebungsverfahren für Titan und hochwarmfeste Legierungen

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1 Arbeitspapier Ermittlung umformtechnischer Kennwerte FKZ: 033R027A Ressourceneffiziente Formgebungsverfahren für Titan und hochwarmfeste Legierungen Koordination Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) Chemnitz Dr.-Ing. habil. Bernd Lorenz Reichenhainer Str. 88, Chemnitz Tel.: Fax: Ermittlung umformtechnischer Kennwerte Eine Hauptaufgabe des Projektes besteht in der Untersuchung werkstofftechnischer Eigenschaften als Grundlage für eine umformende Bearbeitung hochfester und hochwarmfester Werkstoffe durch partiell wirkende Umformverfahren. Die Auswahl der Werkstoffe, die Bereitstellung der Proben, die Konkretisierung der Versuchsparameter sowie die Analysen und Auswertungen wurden in enger Zusammenarbeit und laufender Abstimmung mit den am Projekt beteiligten Industriepartnern durchgeführt. Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse stellen einen Auszug der Projektergebnisse dar. Für die Ermittlung von Fließkurven und Grenzformänderungswerten wurde die Versuchstechnik konzipiert und gebaut. Zur Ermittlung der Warmfließkurven stehen zwei Versuchstechniken zur Verfügung: Ermittlung mit Wärmebecher d = mm, h = 1, d ϑ = C φ = 0,1/ 1/ ca.10 s 1 Ermittlung mit Dilatometer d = mm, h 10mm 5 = 0 0 ϑ = C φ = 0,1...12,5 s 1 0 Die Grenzformänderungswerte werden durch eine gestufte Durchführung der Stauchversuche und einer visuellen Beurteilung der Proben auf Versagen ermittelt.

2 2 Es wurde ein Versuchsprogramm zur Ermittlung umformtechnischer Kennwerte für die Titanlegierung Ti64 (TiAl6V4) und die Nickelbasislegierung Inco 718 erarbeitet. Unter den in Tabelle 1 dargestellten technologischen Parametern sind die Fließkurven sowie Grenzformänderungswerte zu ermitteln. Insbesondere sind dabei hohe Umformgeschwindigkeiten zu berücksichtigen. Tabelle 1: Parameter zur Ermittlung umformtechnischer Kenngrößen Werkstoff Umformtemperatur ϑ [ C] Umformgeschwindigkeit φ [s -1 ] Ti Inco (12,5) (12,5) Die Versuche werden auf einem Umformdilatometer durchgeführt. Für die Absicherung der statistischen Sicherheit wird jeder Versuch dreimal wiederholt. In Summe wurden 108 Versuche durchgeführt. Auszugsweise sind Ergebnisse für den Werkstoff Inco 718 folgender Tabelle dargestellt. Tabelle 2: Fließkurven des Werkstoff Inco 718 ϑ=1000 C φ =10s -1 ϑ=1100 C φ =10s -1

3 3 ϑ=1150 C φ =10s -1 Einen exemplarischen Vergleich dieser Ergebnisse mit herkömmlichen C-Stählen und TiAl6V4 zeigt Abb Inconel Umformfestigkeit [N/mm2] Cr6 C15 C45 50 TiAl6V Abb.1: Fließkurvenvergleich Temperatur [ c] Im Diagramm wird deutlich, dass für die Umformfestigkeit der Inconel-Legierung in den Bereichen der i.a. angewendeten Schmiedetemperatur mit ca. 100% höheren Werten gegenüber C-Stählen zu rechnen ist. Dies hat entsprechende Auswirkungen auf die Werkzeuggestaltung sowie auf die Auslegung der Umformaggregate. Die erfolgte statistische Auswertung der Messwerte wird in Bezug auf die Ermittlung von Eingangsparametern für die numerische Simulation genutzt. Grundlage hierfür bilden die Fließkurvenmodelle nach Hensel/Spittel /4/ entsprechend der vereinfachten Gleichung f m4 K1 m2 ϕ m7ϕ m5ϑ = e ϕ e e (1 ϕ) (1.1) k + bzw. nach dem vollständigen Modell

4 4 k f m4 m3 m8ϑ m2 ϕ m7ϕ m5ϑ m1ϑ m9 = A1ϕ e e (1 + ϕ) e ϑ ϕ ϕ (1.2) Zur Absicherung der ermittelten Werte werden Vergleichsuntersuchungen auf der am Fraunhofer IWU vorhandenen Spindelpresse SPKA 2000 durchgeführt. Diese Untersuchungen dienen einer nochmaligen Bestätigung der ermittelten Fließkurven sowie der Analyse von Grenzformänderungswerten. Weitere ausgewählte Versuchsproben aus den Fließkurvenermittlungen werden zusätzlich bei Industriepartnern werkstofftechnischen Untersuchungen unterzogen. Die Auswertung der durchgeführten Versuche zur Fließkurvenermittlung an den Werkstoffen TiAl6V4 und INCONEL ergab, dass eine Reihe von Versuchen fehlerbehaftet waren. In der Durchführung der Versuche auf einem Umformdilatometer konnte nicht garantiert werden, dass die Verformungsstempel axial zueinander gerichtet verfahren. Die Stempelachsen sind gegeneinander ausgewichen, so dass keine parallelepipedische Versuchdurchführung garantiert war. Abb.2 zeigt einen typischen Versagensfall. Abb.2: Versagensfall bei der Fließkurvenaufnahme In Abstimmung mit den Industriepartnern wurde ein erweitertes Versuchsprogramm vereinbart, um für die zu untersuchenden Werkstoffe gesicherte Fließkurven zu ermitteln (Tab. 3). Die Versuche werden auf dem im Rahmen des Projektes konstruierten und gebauten Werkzeug zur Ermittlung von Fließkurven durchgeführt.

5 5 Tabelle 3: erweitertes Versuchsprogramm zur Ermittlung von Fließkurven für die Werkstoffe TiAl6V4, NIMONIC und INCONEL Werkstoff Umformgeschwindigkeit ϕ [s -1 ] m TiAl6V4 Nimonic 80A Inconel 718 Umformtemperatur ϑ [ C] Spindelpresse (langsam) Spindelpresse (schnell) Fallhammer (niedrige Fallhöhe) Fallhammer (hohe Fallhöhe) 32 Die Geometrie der Versuchsproben für die Fließkurvenermittlung ist in Abb. 3 dargestellt. TiAl6V Nimonic 80A 22,5 015 Inconel ,5 015 Abb.3: Geometrie der Versuchsproben zur Ermittlung von Fließkurven

6 6 Weiterhin wurde ein Programm zur Ermittlung von Fließkurven für spezielle α-ti-legierungen mit den Industriepartnern vereinbart (Tab. 5). Als Werkstoffe werden dabei die Ti-Al-Mo-Legierung die Legierung 2 die Legierung 23 untersucht. Der Einsatzbereich dieser Legierungen liegt im Hochtemperaturbereich des allgemeinen Motorenbaus. Auszugsweise sind in Abb. 4 ermittelte Fließkurven dargestellt C Fließspannung kf [MPa] φ m = 1, φ m = 1,4 - Reg φ m = φ m = 11 - Reg φ m = φ m = 17 - Reg ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Umformgrad φ v=lφ hl 1100 C Fließspannung kf [MPa] φ m = 1, φ m = 1,4 - Reg φ m = φ m = 11 - Reg φ m = φ m = 17 - Reg ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Umformgrad φ v =lφ h l Abb. 4: Fließkurven der Leg. 23 bei den Temperaturen ϑ=1050 C und ϑ=1100 C

7 7 An Hand der ermittelten Fließkurven wird deutlich, dass es für den untersuchten Temperaturbereich eine markante Veränderung im Werkstoffverhalten beim Übergang von 1050 C auf 1100 C Umformtemperatur gibt. Dies zeigt sich einerseits in einem Abfall der Umformfestigkeit bei höheren Temperaturen. Andererseits tritt bei höheren Temperaturen kein Entfestigungsverhalten auf (Abb. 4). Ursächlich ist dieses Verhalten auf den β-transus dieser Legierungen zurückzuführen, der im Bereich von ca C liegt. Weiterhin zeigt die visuelle Beurteilung der Versuchsproben eine ausgeprägte unregelmäßige Verformung der Probenoberfläche, was auf bevorzugte Gleit- bzw. Umformebenen im Werkstoff schließen lässt (Abb. 5) Tabelle 5: Werkstoff Ti-Al-Mo Leg. 2 Leg. 23 Versuchsprogramm zur Ermittlung von Fließkurven an α-ti-legierungen Umformtemperatur ϑ [ C] Umformgeschwindigkeit ϕ [s -1 ] m 0,1 0,5 1,0 5,0 10, C 1100 C 1150 C Besonderheiten: - sehr unregelmäßige Verformung der Mantelflächen der Proben bevorzugte Fließrichtung? - verhältnismäßig starke Verzunderung der Proben Abb. 5: Versuchsproben der Leg

8 8 Nach der Auswertung der Versuchsserien wurden weitere Parameterbereiche in die Untersuchung einbezogen. An folgenden Proben wurden die werkstofftechnischen Untersuchungen durchgeführt (Tab. 6): Tabelle 6: Versuchsproben für werkstofftechnische Untersuchungen Werkstoff Umformtemperatur ϑ[ C] Umformgeschwindigkeit φ [s -1 ] Leg , Leg , Probennr. Zur Gefügebeurteilung wurden an den Versuchsproben folgende Untersuchungen durchgeführt: Makroaufnahmen Makrogefüge Manteloberfläche Gefüge (LM) Gefüge (REM) an ausgewählter Stelle Härte Im Ergebnis der Untersuchungen kann die Aussage getroffen werden, dass sich die Werkstoffe im untersuchten Bereich der Umformtemperatur und -geschwindigkeit versagensfrei umformen lassen. Es treten keine inneren Materialschädigungen, wie Risse oder Poren, auf. Die in den Randbereichen der Proben zu verzeichnenden Risse bzw. Überlappungen sind als verfahrensbedingt zu erklären. Durch die ausgeprägten Gleitebenen im Material kommt es schnell zu diesen Fehlern, die sich aber ins Materialinnere nicht fortpflanzen. Unter technologischen Fertigungsbedingungen können durch geeignete Maßnahmen diese Erscheinungen weitestgehend vermieden werden. Die Mikroaufnahmen zeigen eine typische Gefügeentwicklung vom Rand der Proben hin in den Kernbereich (Abb. 6 und 7). Am Rand ist eine sauerstoffangereicherte Schicht zu erkennen. Danach bildet sich die α-phase, die in Richtung Kern in eine α/β-phase übergeht. Bei höheren Umformtemperaturen steigt im Kernbereich durch den β-transus der β-anteil.

9 C, ϕm = 1,4 s C, ϕm = 17 s C ϕm = 17 s-1 Stirnfläche Kernbereich Abb. 6: Mikroschliff der Versuchproben der Leg C, ϕm = 1,4 s C, ϕm = 17 s C, ϕm = 17 s-1 Stirnfläche Kernbereich Abb. 7: Mikroschliff der Versuchproben der Leg. 23

10 10 Die Härtewerte der untersuchten Proben liegen ebenfalls in einem zu erwartenden Bereich. Über die Probenhöhe zeigt sich eine gleichmäßige Härte (Abb. 8 und 9). Abb. 8: Härtewerte der Leg. 2 Abb. 9: Härtewerte der Leg. 23