• Uni/Hochschule: Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT) Leibniz Universität Hannover
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Tolga Cayli, Drazen Veselovac, Fritz Klocke
  • Artikel vom: 25 August 2015
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  • Artikel Nummer: 054-012-d
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Fräswerkzeug
  • Fräsbearbeitung von intermetallischen γ-Titanaluminiden

    Die steigenden Preise für Treibstoffe machen sich nicht nur an der Zapfsäule bemerkbar, sondern auch durch Kerosinzuschläge bei Flugreisen. Triebwerkshersteller suchen daher nach neuen Möglichkeiten, den Treibstoffverbrauch zu reduzieren und den Wirkungsgrad ihrer Antriebsaggregate zu steigern. Ein erfolgreicher Weg zur Effizienzsteigerung von Triebwerken ist der Einsatz neuer und leichter Hochtemperaturwerkstoffe, wie intermetallische „Gamma-Titanaluminide“ - kurz γ-TiAl. 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. 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 einer Nickelbasislegierung lässt sich das Gesamtgewicht einer Flugturbine auf direktem Wege reduzieren, Abb. 1. Darüber hinaus führt die Reduzierung der rotierenden Massen in der Turbine zu einer geringeren dynamischen Belastung. Dies ermöglicht eine weitere konstruktive Optimierung der Turbine, wodurch das Gesamtgewicht verringert wird.

    Obwohl die Werkstoffgruppe der γ-Titanaluminide aufgrund Ihrer Eigenschaften als hervorragend geeignet erscheint, findet sie bislang nur wenig Einsatz in Flugzeugtriebwerken. Ursachen dafür sind die hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und die Sprödigkeit, gekennzeichnet durch Werte A < 1 % für die Bruchdehnung bei Raumtemperatur. Diese Eigenschaften von γ-Titanaluminiden verursachen erhebliche Schwierigkeiten bei der spanabhebenden Bearbeitung. Die Zerspanwerkzeuge werden extrem beansprucht und es treten deshalb Schwierigkeiten bei der Spanbildung und bei der Erzeugung schadenfreier Werkstückoberflächen. Der Einsatz von TiAl kann daher 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.

    Fräsbearbeitung 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 Titanaluminid 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 University intensiv untersucht.

    Aktuelle Forschungsarbeiten am WZL untersuchen den Einfluss unterschiedlicher Schnittparameter und Schneidstoffe auf den Werkzeugverschleiß bei der Fräsbearbeitung von γ-Titanaluminiden. Hierzu wurden umfangreiche Experimente im Bearbeitungszentrum der Firma Chiron mit der Bezeichnung FZ 15 S high speed plus five axis durchgeführt. Als Kühlmittelstrategie wurde die konventionelle Überflutungskühlung eingesetzt. Der Kühlschmierstoff EcoCool TN 2525 HP der Firma Fuchs Schmierstoffe GmbH wurde in einer Konzentration von 6% verwendet.

    Versuchsaufbau

    Der Versuchsaufbau zur Bewertung der Zerspanbarkeit bei der Fräsbearbeitung mit Kugelkopffräsern ist in Abb. 2 dargestellt. Kugelkopffräser werden im industriellen Anwendungsfall zur Herstellung von Freiformflächen verwendet. Mit dem dargestellten Versuchsaufbau, bei dem das Werkstück um 45° geneigt ist, lassen sich Werkzeuge im Analogieprozess zur Freiformbearbeitung untersuchen. Dieser Versuchsaufbau wurde an der Forschungseinrichtung gezielt angewandt, um die Entwicklung einer Technologie zur Herstellung eines Schaufelfußes im industriellen Anwendungsfall zu erreichen. Zuerst wurde der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf den Werkzeugverschleiß untersucht. Die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst einerseits stark die Bearbeitungszeit, andererseits bestimmt sie aber auch maßgeblich den Verschleiß. Bei der Zerspanung des Werkstoffs mit dem Handelsnamen TNM (43,5% Al, 4% Nb, 1%Mo, 0,1% B) mit einem Kugelkopffräser aus Hartmetall war bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 50 m/min kein nennenswerter Verschleiß zu beobachten. Mit steigender Schnittgeschwindigkeit nahm die thermische Werkzeugbelastung zu, sodass bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 90 m/min nach einer Schnittzeit von tc = 15 min kleine Ausbröckelungen an der Schneidkante beobachtet werden konnten, siehe Abb. 3.

    Um die Zerspanbarkeit der unterschiedlichen Titanaluminidlegierungen zu untersuchen, wurden Fräsversuche in der beschriebenen Versuchsanordnung bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 90 m/min durchgeführt. Die in der Drehbearbeitung bereits beobachtete negative Einfluss des Borgehaltes konnte in der Fräsbearbeitung ebenfalls bestätigt werden, Abb. 4. Die Verläufe der Verschleißkurven zeigen, dass bei einer Fräsbearbeitung von borhaltigen Titanaluminiden unter den gezeigten Schnittbedingungen die maximale Verschleißmarkenbreite von VBmax = 100 µm bereits nach einer kurzen Schnittzeit erreicht wurde. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass bei der Fräsbearbeitung der borfreien Titanaluminidlegierung GE 48-2-2 eine hohe Werkzeugstandzeit von T = 47 min. erreicht werden kann.

    Um das Potenzial hochharter Schneidstoffe bei der Fräsbearbeitung zu untersuchen, wurden im Analogieversuch Diamantschneidstoffe untersucht. Das äußerst positive Leistungsverhalten von Diamantschneidstoffen, das in der Drehbearbeitung festgestellt wurde, konnte in der Fräsbearbeitung vorerst nicht reproduziert werden (Abb. 5). Eine Analyse der eingesetzten Werkzeuge ergab, dass der Grund hierfür ein zu kleiner Keilwinkel an dem Werkzeug ist, wodurch es zu starken Aufschmierungen auf der Freifläche kam. Ein größerer Freiwinkel konnte aufgrund der Herausforderung, Diamantschneidstoffe zu bearbeiten, nicht realisiert werden. Die Verläufe der Verschleißkurven bei der Drehbearbeitung zeigen allerdings, 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 Diamants entscheidend. Die zur Zerspanung von γ-Titanaluminiden zu entwickelnden Hochleistungszerspanprozesse zeichnen sich durch ausreichend hohe Temperaturen in der Scherzone aus, so dass Bröckelspäne und Risse in der erzeugten Oberfläche vermieden werden können. Durch den Einsatz von PKD-Fräswerkzeugen waren Ausbrüche standzeitlimitierend. Die entsprechenden Verschleißbilder für die untersuchten Schneidstoffe nach einer Schnittzeit von tc = 18 min in Abb. 5 zeigen, dass Ausbrüche an der Spanfläche die dominierende Verschleißform beim Einsatz von PKD-Werkzeugen war.

    Einsatz von innovativen Kühlschmierstrategien

    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 auf Grund 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. Derzeit wird am WZL der RWTH Aachen das Potential der innovativen Kühlschmierstrategien bei der Bearbeitung intermetallischer Titanaluminide erforscht. Die ersten Ergebnisse zeigen, 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 signifikant erhöht werden kann.

    Zusammenfassung und Ausblick

    Titanaluminide eignen sich aufgrund Ihrer mechanisch-physikalischen Eigenschaften hervorragend für 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 Forschungsaktivitäten 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. Durch die kooperative Forschungs- und Entwicklungstätigkeit von MTU, Rolls Royce, Safran Group, Access und dem WZL wird die Technologie zur Fertigung einer Turbinenschaufel aus diesem Werkstoff weiter vorangetrieben. Die notwendigerweise neu aufzusetzende Fertigungslinie mit ihren für „γ−Titanaluminiden“ speziellen Anforderungen kann nur gelingen, wenn die verbleibenden Herausforderungen an die Herstellung und Bearbeitung dieses interessanten Werkstoffes gemeistert werden können. Mehr zu diesen und ähnlichen Themen wird es auf der 4. Aachener Kühlschmierstoff-Tagung am 21. und 22. Oktober 2015 am WZL der RWTH Aachen geben.

    Förderhinweis

    Die vorliegenden Forschungsergebnisse entstanden im Forschungsprojekt „ManufacTiAl - Manufacturing Technology for innovative gamma TiAl components“, welches dankenswerterweise von der Europäischen Union im Rahmen des aus dem EFRE-kofinanzierten Operationellen Programm (EFRE: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) für NRW im Ziel "Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung" 2007-2013 und dem Bundesland NRW gefördert wurde.


    Info

    Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Fritz Klocke,
    Direktor des Werkzeugmaschinenlabors (WZL)
    der RWTH Aachen University
    Dr.-Ing. Dražen Veselovac,
    Geschäftsführender Oberingenieur am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen University
    Dipl.-Wirt.-Ing. Tolga Cayli,
    Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor (WZL)
    der RWTH Aachen University

    Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University
    Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren
    Abteilung Zerspantechnologie
    Steinbachstr. 19, D-52074 Aachen

    Telefon +49 241 80-20524, Fax +49 241 80-22293
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    http://www.wzl.rwth-aachen.de

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