Fatigue-Proof and Damage Tolerant Lightweight Design of Ti-6Al-4V Forgings

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Um Leichtbau von Titan-Komponenten zu gewährleisten, spielt neben Werkstoff und Formgebung die betriebsfeste und oftmals auch schadenstolerante Auslegung eine zentrale Rolle. Konventionelle Berechnungskonzepte für betriebsfeste Auslegung, entwickelt vorwiegend auf Basis von Eisen- und Aluminiumwerkstoffen, finden zurzeit noch Anwendung im Bereich von Titankomponenten. Die in dieser Arbeit betrachtete Titanlegierung Ti-6Al-4V weist jedoch in vielfacher Hinsicht Besonderheiten und Anomalien in Bezug auf Ermüdung auf. Diese können nur unzureichend über bestehende Modelle abgebildet werden und wirken somit dem Prinzip Leichtbau entgegen. Zusätzlich birgt die thermomechanische Fertigung eine Vielzahl an Einflüssen auf die Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Herleitung entsprechender Modelle für eine betriebsfeste und schadenstolerante Auslegung von geschmiedeten Komponenten aus Ti-6Al-4V unter Berücksichtigung der lokalen Mikrostruktur. Dazu wurden Proben aus gesenk- bzw. freiformgeschmiedeten Teilen mit unterschiedlichen nachfolgenden Wärmebehandlungen entnommen und deren Mikrostruktur analysiert. Danach erfolgte eine Charakterisierung der Schwingfestigkeit und des Rissfortschrittsverhaltens in Abhängigkeit der Mikrostruktur. Die Verknüpfung dieser Ergebnisse lieferte phänomenologische Modelle zur Beschreibung von Schwingfestigkeit und Risswachstum in Abhängigkeit wesentlicher mikrostruktureller Kenngrößen. Weitere Schwingfestigkeitsuntersuchungen bildeten die Basis für eine modellmäßige Beschreibung von Mittelspannungs- und Kerbempfindlichkeit, Schadenstoleranz, Einfluss von Mehrachsigkeit der Beanspruchung sowie Oberflächenbeschaffenheit. Sämtliche im Zuge dieser Arbeit entwickelten Modelle zur Lebensdauerberechnung von geschmiedeten Bauteilen aus Ti-6Al-4V wurden von Böhler Schmiedetechnik in einem Postprozessor implementiert. Als Input dienen dabei Ergebnisse aus Umformsimulation sowie Finite-Elemente-Analyse der vorliegenden Spannungsverteilung. Als Resultat erhält man für ein vorgegebenes Belastungskollektiv die entsprechende Schädigungsverteilung im Bauteil. Die entwickelten Modelle zur Berechnung der Schwingfestigkeit liefern somit in mehrfacher Hinsicht einen wesentlichen Beitrag zu Leichtbau. Zum einen ermöglichen sie eine optimale Nutzung des Festigkeitspotenzials von Ti-6Al-4V durch exaktere Dimensionierung des Bauteils (unter anderem durch mögliche Verknüpfung mit Topologie- und Gestaltsoptimierung), zum anderen bilden sie die Grundlage für eine simulationsbasierte Optimierung des Schmiedeprozesses.

Details

Titel in ÜbersetzungBetriebsfeste und schadenstolerante Auslegung von geschmiedeten Bauteilen aus Ti-6Al-4V
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Christ, Hans-Jürgen, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Eichlseder, Wilfried, Beurteiler A (intern)
StatusVeröffentlicht - 2010