TY - BOOK

T1 - Erstellung einer geschlossenen Simulationskette zur Optimierung der Schwingfestigkeit von geschmiedeten Bauteilen aus Nickelbasislegierungen

AU - Maderbacher, Hermann

N1 - nicht gesperrt

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Um einem ständig sinkenden finanziellen und zeitlichen Aufwand für Entwicklungszyklen, bei steigender Ausfallsicherheit und Energieeffizienz eines Bauteils, gerecht zu werden, werden nicht nur Belastungsszenarien sondern ganze Fertigungsprozesse virtuell nachgestellt. Das langfristige Ziel dabei ist es den kompletten Fertigungs- und Auslegungsprozess beginnend vom Vormaterial, über das Bauteildesign, gefolgt von allen relevanten Fertigungsschritten bis hin zur Lebensdauerberechung unter realen Belastungen in einer geschlossenen Simulationskette abbilden zu können. Höchstbeanspruchte Flugzeugbauteile werden häufig im Heissschmiedeprozess hergestellt, um den hohen Anforderungen der Luftfahrtindustrie zu entsprechen. Hier sind oft die Legierungen Ti6Al4V und Inconel®718 anzutreffen, je nachdem ob große Festigkeit bei geringer Dichte oder hohe Warmfestigkeit gefordert werden. Mit dem Schmiede- und anschließenden Wärmebehandlungsprozess kann nicht nur ein Bauteil mit einer komplexen Geometrie nahe der Endkontur hergestellt werden, sondern auch mechanische Eigenschaften können durch die starke Prozessabhängigkeit des resultierenden Gefüges gezielt beeinflusst werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Tools für die durchgehende Simulationskette von geschmiedeten Bauteilen entwickelt, sowie schon bestehende Tools erweitert. Dadurch ist es möglich in einer Gestalt- und Formoptimierung ein Bauteil zu generieren, das bei minimalem Gewicht maximale Steifigkeit besitzt. Im nächsten Schritt kann in dieser optimierten Geometrie gezielt durch eine Optimierung des Schmiede- und Wärmebehandlungsprozesses jenes Gefüge erzeugt werden, das die bestmögliche lokale Schwingfestigkeit verspricht. Dafür wurde eine Schnittstelle zwischen der Software zur Schmiedesimulation und einem Optimierer geschaffen, wodurch eine Vielzahl von Schmiede- und Wärmebehandlungsparameter hinsichtlich Schwingfestigkeit optimiert werden können. Um einen Link zwischen Schwingfestigkeit und Schmiede- bzw. Wärmebehandlungsparameter bereitstellen zu können, wodurch eine Optimierung erst möglich wird, ist das Verständnis über die Zusammenhänge folgender Teilbereiche von entscheidender Bedeutung. Der erste Bereich stellt die Abhängigkeit des Gefüges von den einzelnen Schmiede- und Wärmebehandlungsparametern dar, wofür ein prozessabhängiges, über weite Temperaturen und Dehnraten gültiges, Gefügemodell erforderlich ist. Der zweite Bereich muss die Beschreibung des Gefügeeinflusses auf die lokale Schwingfestigkeit des Materials zur Verfügung stellen und die Vorhersage von lokalen Wöhlerlinien ermöglichen. Während Gefügemodelle für beide Legierungen sowie ein Wöhlerlinienmodell für Ti6Al4V aktuell schon zur Verfügung stehen, stellt die Entwicklung eines gefügeabhängigen Wöhlerlinienmodells für Inconel®718 einen Hauptteil dieser Arbeit dar. Für das temperatur- und gefügeabhängige Wöhlerlinienmodell wurden zahlreiche Schliffe und Bruchflächen von geschmiedeten Bauteilen analysiert und den Ergebnissen von zyklischen Probenversuchen gegenübergestellt. Mithilfe von statistischen Auswerteverfahren wurden schließlich jene von den zahlreich untersuchten Gefügeparametern isoliert, für die eine signifikante Korrelation mit der Schwingfestigkeit gefunden werden konnte. Das Wöhlerlinienmodell wurde als Funktion von Beanspruchungstemperatur und den relevanten Gefügeparametern formelmäßig beschrieben. Die Kette wird mit einem Postprozessor geschlossen, der von Böhler Schmiedetechnik GmbH & Co KG entwickelt wurde. Unter anderem besitzt dieser die Ergebnisse aus Gestalt- und Formoptimierung sowie aus Optimierung des Schmiede- und Wärmebehandlungsprozess als Input. Der Postprozessor ermöglicht es die Lebensdauer von hinsichtlich Ermüdung optimierten Bauteilen für einachsige aber auch für multiaxiale Belastung unter Berücksichtung der lokalen gefügeabhängigen Schwingfestigkeit zu berechnen.

AB - Um einem ständig sinkenden finanziellen und zeitlichen Aufwand für Entwicklungszyklen, bei steigender Ausfallsicherheit und Energieeffizienz eines Bauteils, gerecht zu werden, werden nicht nur Belastungsszenarien sondern ganze Fertigungsprozesse virtuell nachgestellt. Das langfristige Ziel dabei ist es den kompletten Fertigungs- und Auslegungsprozess beginnend vom Vormaterial, über das Bauteildesign, gefolgt von allen relevanten Fertigungsschritten bis hin zur Lebensdauerberechung unter realen Belastungen in einer geschlossenen Simulationskette abbilden zu können. Höchstbeanspruchte Flugzeugbauteile werden häufig im Heissschmiedeprozess hergestellt, um den hohen Anforderungen der Luftfahrtindustrie zu entsprechen. Hier sind oft die Legierungen Ti6Al4V und Inconel®718 anzutreffen, je nachdem ob große Festigkeit bei geringer Dichte oder hohe Warmfestigkeit gefordert werden. Mit dem Schmiede- und anschließenden Wärmebehandlungsprozess kann nicht nur ein Bauteil mit einer komplexen Geometrie nahe der Endkontur hergestellt werden, sondern auch mechanische Eigenschaften können durch die starke Prozessabhängigkeit des resultierenden Gefüges gezielt beeinflusst werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Tools für die durchgehende Simulationskette von geschmiedeten Bauteilen entwickelt, sowie schon bestehende Tools erweitert. Dadurch ist es möglich in einer Gestalt- und Formoptimierung ein Bauteil zu generieren, das bei minimalem Gewicht maximale Steifigkeit besitzt. Im nächsten Schritt kann in dieser optimierten Geometrie gezielt durch eine Optimierung des Schmiede- und Wärmebehandlungsprozesses jenes Gefüge erzeugt werden, das die bestmögliche lokale Schwingfestigkeit verspricht. Dafür wurde eine Schnittstelle zwischen der Software zur Schmiedesimulation und einem Optimierer geschaffen, wodurch eine Vielzahl von Schmiede- und Wärmebehandlungsparameter hinsichtlich Schwingfestigkeit optimiert werden können. Um einen Link zwischen Schwingfestigkeit und Schmiede- bzw. Wärmebehandlungsparameter bereitstellen zu können, wodurch eine Optimierung erst möglich wird, ist das Verständnis über die Zusammenhänge folgender Teilbereiche von entscheidender Bedeutung. Der erste Bereich stellt die Abhängigkeit des Gefüges von den einzelnen Schmiede- und Wärmebehandlungsparametern dar, wofür ein prozessabhängiges, über weite Temperaturen und Dehnraten gültiges, Gefügemodell erforderlich ist. Der zweite Bereich muss die Beschreibung des Gefügeeinflusses auf die lokale Schwingfestigkeit des Materials zur Verfügung stellen und die Vorhersage von lokalen Wöhlerlinien ermöglichen. Während Gefügemodelle für beide Legierungen sowie ein Wöhlerlinienmodell für Ti6Al4V aktuell schon zur Verfügung stehen, stellt die Entwicklung eines gefügeabhängigen Wöhlerlinienmodells für Inconel®718 einen Hauptteil dieser Arbeit dar. Für das temperatur- und gefügeabhängige Wöhlerlinienmodell wurden zahlreiche Schliffe und Bruchflächen von geschmiedeten Bauteilen analysiert und den Ergebnissen von zyklischen Probenversuchen gegenübergestellt. Mithilfe von statistischen Auswerteverfahren wurden schließlich jene von den zahlreich untersuchten Gefügeparametern isoliert, für die eine signifikante Korrelation mit der Schwingfestigkeit gefunden werden konnte. Das Wöhlerlinienmodell wurde als Funktion von Beanspruchungstemperatur und den relevanten Gefügeparametern formelmäßig beschrieben. Die Kette wird mit einem Postprozessor geschlossen, der von Böhler Schmiedetechnik GmbH & Co KG entwickelt wurde. Unter anderem besitzt dieser die Ergebnisse aus Gestalt- und Formoptimierung sowie aus Optimierung des Schmiede- und Wärmebehandlungsprozess als Input. Der Postprozessor ermöglicht es die Lebensdauer von hinsichtlich Ermüdung optimierten Bauteilen für einachsige aber auch für multiaxiale Belastung unter Berücksichtung der lokalen gefügeabhängigen Schwingfestigkeit zu berechnen.

KW - Fatigue strength

KW - S/N-curve model

KW - titanium alloy

KW - nickel-based alloy

KW - forging process

KW - aircraft engineering

KW - optimization

KW - Betriebsfestigkeit

KW - Wöhlerlinienmodell

KW - Titanlegierung

KW - Nickelbasislegierung

KW - Schmiedeprozess

KW - Flugzeugbau

KW - Optimierung

M3 - Dissertation

ER -