• Uni/Hochschule: Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Fritz Klocke, Dieter Lung, Tolga Cayli
  • Artikel vom: 24 Februar 2015
  • Seitenaufrufe: 2730
  • Artikel Nummer: 051-016-d
  • Kategorie(n): Zerspanen, WERKZEUG ANWENDUNGEN
  • Schlüsselbegriffe: Diamant, Drehen, kryogene Zerspanung, KSS-Strategie, Titanaluminid
  • Einsatz von Hochleistungsschneidstoffen zur Bearbeitung intermetallischer γ-Titanaluminide

    Das Hauptaugenmerk der Turbinenhersteller liegt dabei auf den Niederdruckturbinenschaufeln einer Flugturbine, weil Niederdruckturbinenschaufeln zu den größeren Schaufeln gehören, die in einer Turbine zum Einsatz kommen, s. Abb. 1. Turbinenschaufeln aus γ-TiAl, die bei höheren Prozesstemperaturen den auf sie wirkenden Belastungen standhalten und gleichzeitig etwa nur halb so schwer sind als die derzeit noch dominierenden Nickelbasislegierungen und Sonderstähle, stellen eine hervorragende Alternative dar. Durch das geringere Gewicht einer γ-TiAl-Niederdruck-Turbinenschaufel im Vergleich zu zwei konventionellen aus einer Nickelbasislegierung lässt sich das Gesamtgewicht einer Flugturbine auf direktem Wege reduzieren, Abb. 2. Darüber hinaus führt die Reduzierung der rotierenden Massen in der Turbine zu einer geringeren dynamischen Belastung. Dies ermöglicht weiterhin eine konstruktiven Optimierung der Turbine, wodurch das Gesamtgewicht verringert wird.

    Obwohl die Werkstoffgruppe der Gamma-Titanaluminide aufgrund ihrer Eigenschaften als hervorragend geeignet erscheint, findet sie bislang nur wenig Einsatz in Flugzeugtriebwerken. Einer der Hauptgründe hierfür sind die außerordentlichen Herausforderungen für die Fertigungstechnik als Folge der sehr hohen Anforderungen an die Sicherheit und Haltbarkeit der Triebwerke. Der Einsatz von TiAl kann nur durch sichere und unter industriellen Produktionsbedingungen reproduzierbare Fertigungsprozesse ermöglicht werden. Eine unverzichtbare Voraussetzung für die Anwendbarkeit eines Fertigungsverfahrens ist, dass damit Komponenten herstellbar sind, die keine Oberflächenanomalien aufweisen.

    Hochleistungsschneid-stoffe zur Bearbeitung von Titanaluminiden

    Zur Herstellung von Komponenten aus Titanaluminiden für Flugzeugtriebwerke können prinzipiell Schmiede-, Gieß- oder pulvermetallurgische Verfahren angewandt werden. Ein besonderer Fokus aktueller Forschungsarbeiten liegt in der Überführung der Prozesstechnik in den Industriemaßstab, um eine Serienfertigung von Bauteilen aus dem Werkstoff Titan-aluminid zu ermöglichen. Der Schmiede- oder Gießprozess stellt jedoch nur einen Schritt in der Fertigungskette dar. Im Anschluss an diesen müssen die Bauteile weiter bearbeitet werden. Auf der einen Seite ist der Werkstoff γ-TiAl aufgrund der hohen Festigkeit und der Sprödigkeit für den Einsatz bei hohen Temperaturen prädestiniert, auf der anderen Seite erschweren die mechanischen Eigenschaften die spanende Bearbeitung dieser Werkstoffe. Die Hochleistungszerspanung von intermetallischen γ-Titanaluminiden wird daher am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen intensiv untersucht.

    Bei der spanenden Bearbeitung wird durch die Bewegung des Werkzeuges der Werkstoff elastisch und plastisch verformt. Durch die plastische Verformung bildet sich ein Span aus, der über die Spanfläche des Werkzeuges abgleitet. Bei unzureichender plastischer Verformbarkeit des Werkstoffes bilden sich Reißspäne. Bei der Entstehung dieser sehr kurzen, bröckeligen Späne wird Werkstoff aus der erzeugten Oberfläche gerissen. Aufgrund dessen finden sich dort Mikrorisse, welche sich unter Belastung ausbreiten und zum Reißen der Schaufel führen können. Festzuhalten bleibt, dass jedes spanende Bearbeitungsverfahren eine Werkstückoberfläche erzeugen muss, welche die an sie gestellten Anforderungen erfüllt.

    Die Sprödigkeit von intermetallischem TiAl, welche die Spanbildung und damit die Herstellung sicherheitsgerechter Oberflächen behindert, fällt erst bei hohen Temperaturen nennenswert ab. Bei Temperaturen unter 700 - 750°C verhält sich der Werkstoff so spröde, dass das Zerspanen mit konventionellen Bearbeitungsstrategien nur unzureichende Oberflächen herstellt. Die Anwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten bei der spanenden Bearbeitung bewirken Temperaturen, die zu duktilem Werkstoffverhalten bei der Spanbildung führen. Durch diese hohen Temperaturen werden die eingesetzten Zerspanwerkzeuge thermisch extrem beansprucht. Gleichzeitig bewirken diese Temperaturen jedoch auch eine Erhöhung der Duktilität des TiAl und begünstigen so die spanende Bearbeitung.

    Unter dem dargestellten Zusammenhang zwischen der thermischen Werkzeugbelastung und der werkstoffbedingten Verbesserung der Bearbeitbarkeit, kann die Temperatur selbst als Werkzeug betrachtet werden. Hieraus leitet sich der Forschungsbedarf nach einem zielgerichteten Einsatz der Temperatur zur Erweichung des Werkstoffes ab. Allerdings bewirkt die thermische Belastung auch ein schnelleres Verschleißen der eingesetzten Werkzeuge. Es müssen also zusätzlich Strategien entwickelt werden, um das Werkzeug auch bei diesen erhöhten Temperaturen einsetzen zu können. Der zielgerichtete Einsatz der Temperatur wurde durch speziell konzipierte Werkzeuge erreicht. Diese bewirken aufgrund ihrer Schneidengeometrie eine verstärkte Verformung in der Spanentstehungsstelle. Durch die infolge der Verformung entstehende Wärme steigt die Duktilität des Werkstoffes und eine verbesserte Spanbildung wird ermöglicht. Unter Anwendung dieser Technologie werden rissfreie Oberflächen sogar in Schleifqualität erzeugt. Allerdings schränken die hohen Temperaturen auch die Standzeit der Werkzeuge stark ein. Aktuelle Forschungsarbeiten am WZL der RWTH Aachen University untersuchen den Einfluss unterschiedlicher Schneidstoffe auf den Werkzeugverschleiß bei der Zerspanung von γ-Titanaluminiden. In Abb. 3 sind die Verschleißkurven bei der Drehbearbeitung über der Schnittzeit für unterschiedliche Schneidstoffe aufgetragen. Die Außenlängsdrehversuche werden auf einer Drehmaschine vom Typ Index GU 800 durchgeführt. Die Drehmaschine verfügt über eine Nennleistung von 40 kW und eine Maximaldrehzahl von 4000 U/min. Sie wird gesteuert von einer Sinumerik S3T und besitzt eine geometrische Auflösung von 0,1 μm. Als Kühlmittelstrategie wird die konventionelle Überflutungskühlung eingesetzt. Der Kühlschmierstoff ECOCOOL TN 2525 HP wird in einer Konzentration von 6% verwendet. Bei der Zerspanung des Werkstoffs mit dem Handelsnamen TNM (43,5% Al, 4% Nb, 1%Mo, 0,1% B) mit unbeschichtetem Hartmetall kommt es bereits nach ca. 2 min. Schnittzeit zu Ausbröckelungen an der Schneidkante. Der Einsatz hochharter Schneidstoffe bietet in diesem Zusammenhang ein großes Potenzial, die Werkzeugstandzeit drastisch zu erhöhen. Die Verläufe der Verschleißkurven zeigen, dass durch den Einsatz hochharter Schneidstoffen, insbesondere Diamant, die Werkzeugstandzeit deutlich verlängert werden kann. Bei dieser Art der Hochleistungszerspanung ist neben der hohen Härte auch die gute Wärmeleitfähigkeit des Diamanten entscheidend. Die zur Zerspanung von γ-Titanaluminiden zu entwickelnden Hochleistungszerspanprozesse zeichnen sich durch ausreichend hohe Temperaturen in der Scherzone aus, sodass Bröckelspäne und Risse in der erzeugten Oberfläche vermieden werden können. Durch den Einsatz von Diamantwerkzeugen mit durchschnittlicher Korngröße von 7 bis 10 µm konnten bei einer maximalen Verschleißmarkenbreite von 100 µm längste Werkzeugstandzeiten erreicht werden. Die bei der Zerspanung entstehende Wärme kann durch das Diamantwerkzeug abfließen, wodurch die Standzeit signifikant verlängert werden kann. Die entsprechenden Verschleißbilder für die untersuchten Schneidstoffe nach Erreichen der maximalen Verschleißmarkenbreite von VBmax = 100 µm in Abb. 4 zeigen, dass der abrasive Verschleiß an der Freifläche die dominierende Verschleißform beim Einsatz von hochharten Schneidstoffen ist. Sowohl beim Einsatz von cBN als auch von Diamant-Werkzeugen kann die maximale Verschleißmarkenbreite von 100 µm prozesssicher erreicht werden.

    Innovative Kühlschmierstrategien zur Bearbeitung von Titanaluminiden

    Zur gezielten Kühlung des Werkzeugs und damit zur weiteren Steigerung der Werkzeugstandzeit werden am WZL der RWTH Aachen neben dem Einsatz von Hochleistungsschneidstoffen innovative Kühlschmierstrategien erforscht. Die intensive Schneidenkühlung unter Einsatz der zielgerichteten KSS-Zufuhr unter hohem Druck (Hochdruck-KSS-Zufuhr) und vor allem der kryogenen Prozesskühlung stellen zwei potentialträchtige KSS-Strategien dar. Bei der Kryokühlung werden Stoffe mit extrem niedrigen Temperaturen zur Prozesskühlung verwendet. Die bekanntesten Kryogene sind flüssiger Wasserstoff (Siedepunkt: 20,268 K = -252,882 °C), flüssiger Stickstoff LN2 (Siedepunkt: 77,35 K = 195,80 °C), flüssiger Sauerstoff (Siedepunkt: 90,18 K = -182,97 °C) und Trockeneis/CO2-Schnee (Sublimationspunkt: 194,5 K = -78,5 °C). Für die Zerspanprozesskühlung werden aufgrund der guten Verfügbarkeit und der verhältnismäßig sicheren Handhabung insbesondere flüssiger Stickstoff und Trockeneis eingesetzt. Die Vorteile der Kryokühlung sind reduzierte Werkzeugtemperaturen und daraus folgend deutlich geringerer Werkzeugverschleiß beziehungsweise höhere anwendbare Schnittparameter. Bei der Zerspanung unter Einsatz von Kryogenen wird das Medium gezielt auf das Werkzeug gesprüht. Dabei erfolgt die Ausrichtung des Sprühstrahls so, dass er vorrangig das Werkzeug und nicht das Werkstück im Bereich der Spanentstehungsstelle kühlt.

    In Abb. 5 sind die Ergebnisse der Verschleiß-Standzeit-Drehversuche bei der Drehbearbeitung des γ-Titanaluminids TNM (43,5% Al, 4% Nb, 1%Mo, 0,1% B) unter Einsatz der konventionellen Überflutungskühlung mit Emulsion und der kroyogenen Prozesskühlung mit flüssigem Stickstoff (LN2) dargestellt. In dieser Grafik ist sowohl die Entwicklung der maximalen Verschleißmarkenbreite als auch der arithmetische Mittenrauwert Ra über der Schnittzeit tc aufgetragen. Bei den Untersuchungen zum Einfluss der Kryokühlung auf das Prozessergebnis wurde das Werkzeug aus polykristallinem Diamant mit der durchschnittlichen Korngröße von 7-10 µm eingesetzt, welches in den Versuchen zur Bestimmung des optimalen Schneidstoffs in Abb. 4 die höchste Standzeit lieferte. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Werkzeugstandzeit durch den Einsatz der kryogenen Prozesskühlung mit flüssigem Stickstoff im direkten Vergleich zur konventionellen Überflutungskühlung bei einer maximalen Verschleißmarkenbreite von VBmax = 100 µm nahezu verdoppelt werden kann.

    Zusammenfassung und Ausblick

    Titanaluminide eignen sich aufgrund ihrer mechanisch-physikalischen Eigenschaften hervorragend für den Einsatz in Flugzeugtriebwerken. Derzeit findet dieser Werkstoff bislang nur wenig Anwendung, einer der Hauptgründe hierfür sind die außerordentlichen Anforderungen an die Fertigungstechnik. Besonders an Bauteile für die Anwendung in Triebwerken werden sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit und Haltbarkeit gestellt. Das bedeutet unter anderem, dass der Einsatz von TiAl nur durch sichere und unter industriellen Produktionsbedingungen reproduzierbare Fertigungsprozesse erst ermöglicht wird. Eine unverzichtbare Voraussetzung für die Anwendbarkeit eines Fertigungsverfahrens ist, dass damit schadenfreie Komponenten herstellbar sind. Die Entwicklung von Technologien zur Herstellung von Turbinenschaufeln aus intermetallischen TiAl ist Gegenstand langjähriger Forschungstätigkeiten am WZL der RWTH Aachen University.

    Die Analyse der Dreh- und Fräsbearbeitung der Titanaluminidlegierungen Ti-45Al-2Nb-2Mn-0,8B (kurz: 45-2-2 XD), Ti-43,5Al-4Nb-1Mo-0,1B (kurz: TNM) und Ti-48Al-2Cr-2Nb (kurz: GE 48-2-2) stellt seit mehreren Jahren den Schwerpunkt der Forschungsaktivi-täten in der Abteilung Zerspantechnologie des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen dar. Derzeit werden Untersuchungen zum Einfluss unterschiedlicher Schneidstoffe, innovativer Kühlschmierstrategien (Hochdruck-KSS-Zufuhr und kryogene Prozesskühlung) und der Werkzeugmakro- und -mikrogeometrie auf das Prozessergebnis untersucht.

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