Technologie zur Umformung von Titanlegierungen
Das Kriechumformen ist eine der Technologien zur Umformung von Titanlegierungen. Dies bedeutet, dass bei einer bestimmten Temperatur, nachdem das Blech unter der Wirkung von Werkzeug und Matrize verformt wurde, um die ideale Form zu erhalten, Temperatur und Belastung konstant gehalten werden, so dass es zu einer Spannungsentspannung im Inneren des Werkstücks und zu einer elastischen Dehnung kommt. In eine dauerhafte plastische Dehnung umwandeln, bis die Eigenspannung und die Rückfederung im Wesentlichen beseitigt sind und schließlich nach dem Abkühlen die ideale Werkstückform erreicht wird.
Die treibende Kraft für das Kriechen beim Kriechumformen ist die angelegte Spannung. Mit fortschreitendem Kriechen nimmt die elastische Dehnung ab, sodass die Eigenspannung entsprechend abnimmt und die angelegte Spannung entsprechend abnimmt. Einige Forscher wiesen darauf hin, dass das thermische Zugkriechverfahren ein neues Umformverfahren für dünnwandige Verbundwerkstoffe aus Titanlegierungen sei. Bei dem Verfahren werden dünnwandige Bleche oder Profile vor dem Strecken und Biegen mithilfe von Heizmethoden wie der elektrischen Widerstandsheizung auf Thermoformtemperatur erhitzt. Während die endgültige Form entsteht, bleibt die Temperatur konstant und das Material kriecht in Zugrichtung der Formoberfläche. Dies führt zu einer Spannungsreduzierung und einer direkten Spannungsrelaxation innerhalb des geformten Werkstücks. Die Restspannung wird reduziert, wodurch die Rückfederung der Teile verringert und die Umformgenauigkeit verbessert wird. Der Forschungsstand, das Verfahrensprinzip, die wichtigsten Geräte, die Verarbeitungstechnologie sowie Vor- und Nachteile der neuen Verfahrenstechnologie werden vorgestellt. Abschließend werden die Anwendungsaussichten der Heißzieh-Kriech-Verbundumformungstechnologie untersucht.
Einige Forscher weisen darauf hin, dass Titanlegierungen aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und Korrosionseigenschaften und ihres relativ geringen Gewichts häufig in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Trägerflugzeugzellen verwendet werden. Titanlegierungen lassen sich jedoch bei Raumtemperatur bekanntermaßen nur schwer formen. Daher wird bei der Umformung von Profilen aus Titanlegierungen die Heißziehbiege-Kriechumformtechnologie eingesetzt, um die Umformleistung zu verbessern und die Rückfederung zu verringern. Das Prinzip des Warmstreckbiegens und Kriechumformens besteht darin, dass nach dem Warmstreckbiegeschritt ein Spannungsrelaxationsschritt durchgeführt wird, indem das Werkstück für eine ausgewählte Verweilzeit in der Form gehalten wird. Dies hat den Vorteil geringer Eigenspannungen und minimaler Rückfederung, einschließlich kostengünstiger Werkzeuge und guter Wiederholgenauigkeit. Zur Charakterisierung des Kriechverhaltens wurde das Arrhenius-Modell verwendet und in ABAQUS ein Finite-Elemente-Modell des thermischen Zug-Biege-Kriechverformungsprozesses erstellt. Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation zeigen, dass die Restspannung während der Spannungsrelaxationsphase stark reduziert wird und eine niedrige Restspannung zu einer geringeren Rückfederung führt. Die vorhergesagten Rückprallwerte stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Einige Forscher wiesen darauf hin, dass Kriechen oder Spannungsrelaxation der Hauptmechanismus zur Verringerung der Rückfederung während der Warmumformung von Titanlegierungsplatten ist.
Bisher wurden die Unterschiede und Zusammenhänge zwischen diesen beiden Phänomenen nicht explizit untersucht. An der Ti6Al4V-Legierung wurden Hochtemperatur-Kurzzeitkriech- und Spannungsrelaxationstests durchgeführt. Die Mikrostruktur der Legierung wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop beobachtet. Die Auswirkungen von Temperatur, Spannung und Zeit auf das Kriech- und Spannungsrelaxationsverhalten wurden jeweils untersucht. Die Korrelationen und Unterschiede zwischen den beiden Phänomenen wurden anhand der Kriechdehnungs-Zeit- und Dehnungsraten-Zeit-Beziehungen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Kriechverhalten bei niedriger Temperatur und geringer Spannung durch Atomdiffusion gesteuert wird und das Kriechverhalten bei hoher Temperatur und hoher Spannung durch Versetzungsgleiten und Kriechen gesteuert wird. Das Spannungsrelaxationsverhalten wird hauptsächlich durch das Versetzungsklettern gesteuert. Das aus den Kriechdaten vorhergesagte Spannungsrelaxationsverhalten stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.
