Hoch

Mit dem neuen HPWF-Verfahren wurde dieses Luft- und Raumfahrtteil aus Ti6Al4V bei 270 °C (520 °F) und 1.400 bar (20.000 PSI) geformt.

Marktdaten deuten auf einen erheblichen Anstieg des Titanverbrauchs in neuen Flugzeugen hin. Es wird erwartet, dass sich die Volumina innerhalb von fünf Jahren verdreifachen (siehe Seitenleiste „Globales Wachstum in der Luft- und Raumfahrt treibt Titan-Expansion voran“).

Es wird eine neue, schnellere und effektivere Methode zur Herstellung von Titan in Luft- und Raumfahrtqualität benötigt.

Es gibt gute Gründe für den zunehmenden Einsatz von Titan im Flugzeugbau. Titanlegierungen sind leicht, verfügen über eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit und können extremen Temperaturen standhalten. Allerdings haben die hohen Rohstoffkosten und die aktuellen Umformverfahren die kommerzielle Nutzung von Titanlegierungen auf eng spezialisierte Anwendungen in Flugzeugen, Raumfahrzeugen, Turbinen, medizinischen Geräten und anderen hochbelasteten Komponenten beschränkt.

Die Titanqualitäten 1 bis 4, auch als handelsübliches Reintitan bezeichnet, sind bei Raumtemperatur formbar. Allerdings ist die Güteklasse 5, Titan/6 Prozent Aluminium/4 Prozent Vanadium (Ti6Al4V), die heute bei Flugzeugkonstruktionen am häufigsten bevorzugte Sorte. Derzeit erfordert Ti6Al4V Herstellungsverfahren wie Fräsen oder Warmumformprozesse, die bei Temperaturen von 1.300 bis 1.650 Grad F (700 bis 900 Grad C) durchgeführt werden.

Der mit jeder dieser Methoden verbundene Nachteil sind die hohen Kosten. Die hohe Ausschussrate (50 bis 70 Prozent) beim Fräsen in Verbindung mit dem hohen Preis von Titan selbst hat seine weit verbreitete Verwendung stark eingeschränkt. Ebenso können Warmumformprozesse zeitaufwändig sein und kostspielige Werkzeuge erfordern. Daher verlief die Einführung von Titan in der Luft- und Raumfahrtindustrie langsamer als zunächst angenommen, sodass die Hersteller die Vorteile nicht voll ausschöpfen konnten.

Eine neu eingeführte Technologie, Hochdruck-Warmumformung (HPWF), wurde entwickelt, um Titanblech in Luft- und Raumfahrtqualität bei Temperaturen zu formen, die niedriger sind als beim Warmumformen, Heißprägen und superplastischen Umformen.

Die Hochdruck-Fluidzellenpresstechnologie wird seit Jahrzehnten auf der ganzen Welt kommerziell zur Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten eingesetzt. Fortschritte bei der Druckkapazität in Kombination mit einem modernisierten Werkzeugdesign haben es der Flugzeugindustrie ermöglicht, durch den Einsatz dieses Kaltumformverfahrens mit der steigenden Nachfrage Schritt zu halten. Der erhöhte Druck ermöglichte es, Teile in ihre endgültige Form zu bringen, wodurch sowohl die Abhängigkeit von manuellen Korrekturen als auch die Notwendigkeit von Zwischenwärmebehandlungen entfielen.

Im Zuge der kontinuierlichen Verbesserung wurde das Hochdruck-Fluidzellenverfahren nun durch die Anwendung des Hochdruckverfahrens bei erhöhten Temperaturen noch weiter vorangetrieben. Diese Kombination aus hohem Druck und Hitze erhöht die Umformgeschwindigkeit, senkt die Kosten und erhöht die Präzision der Umformung von Ti6Al4V.

Dieser neue Ansatz führt ein Induktionsheizsystem ein, um den Rohling und den Werkzeugsatz kurz vor dem Eintritt in die Presse auf etwa 270 °C (520 °F) zu erwärmen. Die erforderlichen HPWF-Temperaturen liegen deutlich unter dem für die Warmumformung erforderlichen Bereich. Die Fluidzellenpresse arbeitet mit einem Druck von 20.000 Pfund pro Quadratzoll (PSI) oder 140 Megapascal (MPa) und ist mit Mess-, Steuerungs- und Rückverfolgbarkeitsfunktionen ausgestattet, um die für den HPWF-Prozess kritischen Parameter einzuhalten.

Die Analyse von Teilen, die mit dem HPWF-Verfahren hergestellt wurden, durch Dritte zeigt, dass die Umformparameter innerhalb der erforderlichen Toleranzen liegen.

Abbildung 1 Eine Rückfederungsanalyse von Teilen aus Ti6Al4V, t = 2,0 mm, zeigte eine Abnahme mit HPWF. Bild mit freundlicher Genehmigung des Advanced Forming Research Centre, Glasgow, Schottland.

Ende 2017 und Anfang 2018 vom Advanced Forming Research Centre (AFRC) an der University of Strathclyde in Glasgow, Schottland, durchgeführte Studien bestätigen, dass Teile, die einer HPWF unterzogen wurden, eine Rückfederungsabweichung nach dem Formen von weniger als 0,5 Millimetern aufweisen (siehe Abbildung 1). Es ist zu beachten, dass die Flexibilität des Prozesses eine Rückfederungskontrolle bei der Formkonstruktion ermöglicht, sodass eine Kompensation der Materialrückfederung in den Prozess integriert werden kann. Dadurch entstehen direkt fertig geformte Teile. Der gleichbleibende Grad der Rückfederung hängt von der Form des Teils, der Materialstärke und den eingehaltenen Prozessparametern ab. Das verwendete Druckniveau scheint einen entscheidenden Einfluss zu haben.

Der HPWF-Prozess kann einige Kostensenkungsvorteile mit sich bringen.

Aufgrund der relativ niedrigen erforderlichen Temperatur kann beim HPWF-Prozess auf Schutzgas verzichtet werden. Bei Titanlegierungen, die Temperaturen über 800 Grad F (425 Grad C) ausgesetzt werden, oxidiert die Legierung im Allgemeinen und bildet eine harte, spröde Schicht, die mit Sauerstoff angereichert ist, den sogenannten Alpha-Fall. Um die Entstehung des harten und spröden Alpha-Gehäuses zu verhindern, ist bei der Warmumformung und superplastischen Umformung eine sauerstofffreie Prozessatmosphäre erforderlich, um die Aufnahme von Sauerstoff oder Stickstoff zu verhindern. Da HPWF unterhalb der Temperaturgrenze des Alpha-Gehäuses arbeitet, ist für den Prozess kein Schutzgas erforderlich.

Auch der Zeitaufwand für die Teilereinigung nach HPWF kann reduziert werden. Da bei den relativ niedrigen Prozesstemperaturen keine Beschichtung auf den Titanrohlingen auftritt, verringert sich auch der Wartungsaufwand für Werkzeuge und Matrizen.

Schließlich wird der Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Warmumformverfahren erheblich reduziert.

Aktuelle Bearbeitungszeiten für die Warmumformung werden typischerweise in Stunden gemessen. Die für die Warmumformung erforderliche lange Zeit schränkt die Fertigungskapazität erheblich ein. Im Gegensatz dazu können mit dem HPWF-Verfahren Teile in wenigen Minuten hergestellt werden.

Darüber hinaus ermöglicht die Fluidzellenpresstechnologie mit ihrer flexiblen Gummimembran die Herstellung mehrerer Teile im selben Formvorgang, wodurch der Formschritt pro Teil auf Sekunden reduziert wird. Aufgrund dieser Effizienz kann ein HPWF-System theoretisch bis zu 140.000 Teile pro Jahr im Zweischichtbetrieb produzieren.

HPWF hat sich bei der Herstellung von doppelt gekrümmten, relativ flachen Teilen als wirksam erwiesen und eignet sich daher gut für eine Reihe typischer Komponenten von Flugzeugzellen und Strahltriebwerken (siehe Abbildung 2).

Bevor Hersteller verstehen können, wie HPWF funktioniert, ist es wichtig, dass sie wissen, wie die Hochdruck-Fluidzellpresstechnologie funktioniert.

Komplexe Blechteile werden über einer einzigen formgebenden Werkzeughälfte geformt, ähnlich einer Untermatrize (siehe Abbildung 3). Eine flexible Gummimembran ersetzt die obere Matrizenhälfte. Von oben wird ein hoher hydraulischer Druck auf die Membran ausgeübt.

Figur 2 Das HPWF-Verfahren eignet sich gut zum Formen flacher Formen wie C-förmiger Rahmen mit sowohl Stretch- als auch Schrumpfflanschen; Winkel mit gebogenen beiden Flanschen; kleine gebogene Einzelbiegewinkel; verdrehte oder unregelmäßige Teile; und Platten mit Flanschen, kreisförmigen oder unregelmäßigen Formen.

Die flexible Gummimembran formt kratzfreie Teile mit komplexen Formen, einschließlich Hinterschnitten, mit unterschiedlichen Blechdicken in allen Materialien. Hohe und ultrahohe gleichmäßige Umformdrücke sorgen für hochwertige Teile mit engen Toleranzen direkt aus der Presse. Niedrige Werkzeugkosten und kurze Vorlaufzeiten machen die Technologie ideal für die Kleinserienproduktion von Blechteilen für eine Reihe von Anwendungen.

In Kombination mit Erhitzen ist dieser Prozess nun auch für Ti6Al4V realisierbar.

Die Fluidzellenpresstechnologie ermöglicht die Umformung mehrerer Teile im selben Umformvorgang. Eine Gummimembran fungiert als flexibles Oberwerkzeug, auf das der Druck der Hydraulikflüssigkeit ausgeübt wird.

Das HPWF-Verfahren weist insofern Ähnlichkeit mit dem Heißprägen auf, als es stufenweise erfolgt und die Umformung erfolgt, wenn die Metalltemperatur erhöht wird, um die Rückfederung zu unterdrücken (siehe Abbildung 4).

Verweise

Matthew J. Donachie Jr., Wärmebehandlungsprozess, Juni/Juli 2001.

Matthew J. Donachie Jr., Hrsg., „Heat Treating“, Kapitel 8, Titanium: A Technical Guide, 2. Auflage, ASM International, 2000.

R. Gaddam et al., 2013 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 48 012002.

Olivier Jarrault, Alcoa Inc., American Metal Market, Sonderteil zu Titan, Oktober 2015.

Sture Olsson leitet die Geschäftsentwicklung und Metallumformung für Quintus Technologies, [email protected], 46-705-327-241, www.quintustechnologies.com.

Große Flugzeughersteller gehen davon aus, dass innerhalb der nächsten 20 Jahre eine Nachfrage nach mehr als 30.000 neuen Passagier- und Frachtflugzeugen entstehen wird. Diese Prognose ist nicht nur auf das stetig steigende Verkehrsaufkommen zurückzuführen, sondern auch auf die Notwendigkeit, die bestehende Flotte durch kraftstoffeffizientere Modelle zu ersetzen, um die Umwelt weniger zu belasten.

Um die neuen Leistungsziele für Liefermengen und geringeren Kraftstoffverbrauch zu erreichen, müssen effizientere Motoren und eine verbesserte Aerodynamik hergestellt werden. Gewichtsreduzierung ist ein Schlüsselfaktor für den Erfolg dieses Fortschritts und löst die Suche nach leichteren Materialien als bisher und neuen Designs aus. Infolgedessen entstehen neue Verbundwerkstoffe, die die traditionelle Wahl von Aluminium für die Konstruktion und den Bau von Flugzeugzellen in Frage stellen. Die Umstellung auf Verbundwerkstoffe wird erhebliche Auswirkungen auf die Rolle von Titan haben, da es aufgrund seines geringen Gewichts, seiner hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit eine attraktive Alternative zu Aluminiumlegierungen darstellt.

Die wachsende Präferenz für Titan im Luft- und Raumfahrtsektor ist eindeutig dokumentiert. Im Jahr 2015 entfielen 45 bis 60 Prozent des weltweiten Titanverbrauchs auf die Industrie. Im Vergleich zu früheren Raten verbraucht die Boeing 787, die 2009 in Dienst gestellt wurde, 5,3-mal mehr Titan als die Boeing 767, die 27 Jahre zuvor in Dienst gestellt wurde. Der Airbus 350, der dieses Jahr in Dienst gestellt wird, verbraucht 4,5-mal mehr als der A330, der 1992 erstmals flog.

Der Unterschied stellt einen Anstieg von etwa 15 Tonnen Titan in älteren Flugzeugen auf 100 Tonnen Titan in neuen Flugzeugkonstruktionen dar.