TY - THES

T1 - Optimierung des Herstellprozesses von geschmiedeten Turbinenscheiben für optimalen Direct-Age-Effekt unter Berücksichtigung von abnormalem Kornwachstum

AU - Bucher, Christian

N1 - gesperrt bis 15-11-2022

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Bauteile in der Flugzeugindustrie müssen höchsten Qualitätsansprüchen gerecht werden, allen voran rotierende Bauteile wie Turbinenscheiben. Um die sehr hohen Sicherheits- und Belastungsanforderungen erfüllen zu können, sind genaue Kenntnisse des Werkstoffverhaltens und der Fertigungsparameter notwendig. Aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Belastung von Turbinenscheiben wird zumeist der Nickelbasiswerkstoff Inconel 718 verwendet. Der Produktionsprozess muss so ausgelegt werden, dass die geforderten Spezifikationsgrenzen erreicht werden. Dies ist nur mit dem Direct-Age(DA)-Prozess möglich. Um den DA-Effekt zur Gänze auszuschöpfen, ist nur ein sehr enges Fertigungsfenster zulässig. Daher ist eines der Ziele dieser Masterarbeit die Auswertung zahlreicher geschmiedeter Scheiben bei Böhler Schmiedetechnik hinsichtlich eines optimalen DA-Effektes. Im Zuge dessen wurden reale Produktionsparameter in einer FE-Simulation nachgebildet und die Festigkeitswerte unter Zuhilfenahme einer bestehenden Simulationskette (DEFORM 2D und MATCALC) berechnet. Aufgrund der Datenaufzeichnung von Serienschmiedungen stand ein großer Datensatz für die Auswertung zur Verfügung. Das Ergebnis dieser Auswertung ermöglicht eine bessere statistische Aussagekraft des etablierten Modells zur Beschreibung des DA-Effektes. Um die Sensibilität der Festigkeit bei einer Abwandlung der Prozessparameter zu untersuchen wurde darüber hinaus eine Parameterstudie durchgeführt. Damit konnten die optimalen Prozessparameter für höchste Festigkeiten einer Serienscheibe ermittelt werden. Zur Validierung wird bei Böhler Schmiedetechnik eine Versuchsschmiedung durchgeführt. Fertigungsparameter, die zu höchsten Festigkeiten führen, können gleichzeitig zu unerwünschten Grobkornbereichen im Bauteil führen. Da diese Grobkornbereiche potentielle Schwachstellen des Bauteils bilden, muss das bestehende Modell um diesen Aspekt erweitert werden. Aus diesem Grund wurde im Zuge dieser Arbeit das Schmiedefenster dahingehend optimiert, Grobkornbereiche zu vermeiden und gleichzeitig höchste Festigkeit zu erhalten. Die Verifikation erfolgt über Laserultraschallmessungen in Verbindung mit metallographischen Gefügeuntersuchungen. Die Modellvorschläge werden nach der Validierung in der Prozessauslegung bei Böhler Schmiedetechnik implementiert. Somit ist es möglich, den Fertigungsprozess noch realitätsgetreuer abzubilden und die Prozesssicherheit zu erhöhen.

AB - Bauteile in der Flugzeugindustrie müssen höchsten Qualitätsansprüchen gerecht werden, allen voran rotierende Bauteile wie Turbinenscheiben. Um die sehr hohen Sicherheits- und Belastungsanforderungen erfüllen zu können, sind genaue Kenntnisse des Werkstoffverhaltens und der Fertigungsparameter notwendig. Aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Belastung von Turbinenscheiben wird zumeist der Nickelbasiswerkstoff Inconel 718 verwendet. Der Produktionsprozess muss so ausgelegt werden, dass die geforderten Spezifikationsgrenzen erreicht werden. Dies ist nur mit dem Direct-Age(DA)-Prozess möglich. Um den DA-Effekt zur Gänze auszuschöpfen, ist nur ein sehr enges Fertigungsfenster zulässig. Daher ist eines der Ziele dieser Masterarbeit die Auswertung zahlreicher geschmiedeter Scheiben bei Böhler Schmiedetechnik hinsichtlich eines optimalen DA-Effektes. Im Zuge dessen wurden reale Produktionsparameter in einer FE-Simulation nachgebildet und die Festigkeitswerte unter Zuhilfenahme einer bestehenden Simulationskette (DEFORM 2D und MATCALC) berechnet. Aufgrund der Datenaufzeichnung von Serienschmiedungen stand ein großer Datensatz für die Auswertung zur Verfügung. Das Ergebnis dieser Auswertung ermöglicht eine bessere statistische Aussagekraft des etablierten Modells zur Beschreibung des DA-Effektes. Um die Sensibilität der Festigkeit bei einer Abwandlung der Prozessparameter zu untersuchen wurde darüber hinaus eine Parameterstudie durchgeführt. Damit konnten die optimalen Prozessparameter für höchste Festigkeiten einer Serienscheibe ermittelt werden. Zur Validierung wird bei Böhler Schmiedetechnik eine Versuchsschmiedung durchgeführt. Fertigungsparameter, die zu höchsten Festigkeiten führen, können gleichzeitig zu unerwünschten Grobkornbereichen im Bauteil führen. Da diese Grobkornbereiche potentielle Schwachstellen des Bauteils bilden, muss das bestehende Modell um diesen Aspekt erweitert werden. Aus diesem Grund wurde im Zuge dieser Arbeit das Schmiedefenster dahingehend optimiert, Grobkornbereiche zu vermeiden und gleichzeitig höchste Festigkeit zu erhalten. Die Verifikation erfolgt über Laserultraschallmessungen in Verbindung mit metallographischen Gefügeuntersuchungen. Die Modellvorschläge werden nach der Validierung in der Prozessauslegung bei Böhler Schmiedetechnik implementiert. Somit ist es möglich, den Fertigungsprozess noch realitätsgetreuer abzubilden und die Prozesssicherheit zu erhöhen.

KW - Direct-Age-effect

KW - alloy 718

KW - abnormal grain growth

KW - turbine discs

KW - process design

KW - forging simulation

KW - Direct-Age-Effekt

KW - Inconel 718

KW - Abnormales Kornwachstum

KW - Turbinenscheiben

KW - Prozessauslegung

KW - Schmiedesimulation

M3 - Masterarbeit

ER -