Titanium Solution Treated and Rapid Quenching (TISTRAQ)

Ziel des vom BMWi im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms der Bundesregierung geförderten Verbundprojektes TISTRAQ (TItanium Solution Treated & RApid Quenching) ist die Entwicklung eines Umformprozesses für die energie- und materialeffiziente Herstellung von Blechformteilen aus der α+β-Titanlegierung Ti-6Al-4V mit gesteigerten mechanischen Kennwerten durch eine prozessintegrierte Wärmebehandlung. Dabei werden erstmalig α+β-Titanlegierungen resistiv schnellerwärmt, mit gekühlten Werkzeugen abschreckumgeformt und anschließend kurzzeitig wärmebehandelt. Nach der schnellen Abkühlung verbleibt das Material in einem Ungleichgewichtszustand, der durch die nachträgliche Warmauslagerung und der damit verbundenen Ausscheidungshärtung zu einer weiteren positiven Eigenschaftsänderung führt. Durch die angestrebte sehr kurze Prozesszeit (STQ: short time quenching) soll zudem die Bildung einer sauerstoffangereicherten spröden Randschicht weitestgehend vermieden werden. Die Umformung von α+β-Titanlegierungen mit prozessintegrierter Wärmebehandlung führt zu einer im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik ökologisch und ökonomisch effizienteren Herstellung von Titanstrukturen mit zugleich hohem Leichtbaupotential durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften. Der STQ-Prozess bietet somit ein großes Potential für die Steigerung der Leistungsfähigkeit und der Effizienz in der Luftfahrt.

Die Prozessroute kombiniert das aus der automobilen Serienfertigung erfolgreich für die Warmumformung von Stählen eingesetzten Presshärten mit den bekannten festigkeitssteigernden Mechanismen von Aluminiumlegierungen. Gemeinsam mit den Projektpartnern soll der Prozess für Titanlegierungen entwickelt und der Nachweis erbracht werden, dass der Prozess simulationstechnisch beherrschbar ist und zu einer dauerhaften Erhöhung der mechanischen Kennwerte bei den verwendeten α+β-Titanlegierungen führt. DYNAmore übernimmt die simulative, lokale Abbildung der Gefügeumwandlung im STQ-Prozess, sowie die Prognose der zugehörigen lokalen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs. Mit Erreichen dieses Zieles können die Potentiale des Verfahrens durch Optimierung des Prozesses innerhalb einer Simulationsumgebung bestimmt werden.

Der Arbeitsplan sieht vielfältige experimentelle Untersuchungen zum Abkühlverhalten von TiAl6V4 bei diversen Abkühlgeschwindigkeiten, sowie mechanische Untersuchungen der erzeugten Gefüge vor. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse entwickelt DYNAmore ein thermomechanisch gekoppeltes Simulationsmodel, das in der Lage ist, den gesamten Umformprozess eines Bauteils zu beschreiben. Die lokalen Eigenschaften des Werkstoffs werden dabei mit einem Modell zur Bestimmung der Phasenumwandlungskinetik, abhängig u. A. von Deformationshistorie und Abkühlgeschwindigkeit beschrieben. Neben der prinzipiellen Beschreibung des Modells, dessen Implementierung und Validierung, werden vom DYNAmore MCC ausführliche Kalibrierungsumfänge geleistet, um den hohen Anforderungen an die Prognosefähigkeit Rechnung zu tragen.

Die Abbildung zeigt schematisch den Temperaturverlauf im Prozess und die damit verbundenen mikrostrukturellen Veränderungen, die in der Prozesssimulation abgebildet werden müssen.