5-Achs-Bearbeitung, Kreuzproben, Eisenaluminid

5-Achs-Bearbeitung von Kreuzproben aus Eisenaluminid als Analogieprozess zur Turbinenschaufelbearbeitung. - Bild: PTW/TU-Darmstadt

Mit einer Wachstumsperspektive von jährlich fünf Prozent und damit als eine strategische Zukunftsbranche beschreibt der Bundesverband der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie (BDLI) den internationalen Wachstumsmarkt für den Luft- und Raumfahrtsektor. Der Flugzeughersteller Boeing prognostiziert für die nächsten 20 Jahre eine Verdopplung des weltweiten Passagierflugverkehrs. Daraus resultiert ein progressiv ansteigender Flugzeugbedarf, wodurch laut Boeing über 40.000 Auslieferungen bis 2038 folgen sollen.
Aufgrund der damit verbundenen ansteigenden Umweltbelastung werden Produzenten durch den von der Europäischen Kommission und des Beirats für Luftfahrtforschung in Europa (ACARE) verabschiedeten Flightpath 2050 dazu veranlasst, die Treibhausgasemissionen um 75-90 Prozent zu senken. Somit nimmt neben den Betriebskosten auch die Treibstoffeffizienz einen wesentlichen Einfluss auf das Flugzeugdesign und insbesondere auch auf die Triebwerksauslegung.

Legierungen aus der Werkstoffklasse der Eisenaluminide (FeAl) besitzen das Potenzial etablierte Werkstoffe in Triebwerkskomponenten zu substituieren. Ein Lösungsweg für erhöhte Treibstoffeffizienz stellt der Leichtbau dar, welcher unter anderem durch den Einsatz von Hochleistungs-legierungen umgesetzt wird. Die Betriebsbedingungen von Triebwerkskomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, fordern Werkstoffe mit hoher Festigkeit bei möglichst geringer Dichte sowie mit hoher Zug- und Warmfestigkeit. Darüber hinaus müssen hohe Verschleißresistenz sowie Korrosionsbeständigkeit gewährleistet werden. Titan- sowie Nickelbasislegierungen sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften geeignete Werkstoffe, welche aber gleichzeitig hohe Materialkosten verursachen. Ausgewählte FeAl-Legierungen verfügen über vielversprechende Werkstoffeigenschaften, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen bis 800°C, und stellen eine potenzielle Alternative zu den kostenintensiven Werkstoffen dar (vgl. Abbildung 1 – links). Die Hauptlegierungsbestandteile Eisen und Aluminium zählen zu den am häufigsten in der Erdkruste vorkommenden Elementen, woraus ein klarer wirtschaftlicher Vorteil gegenüber hochpreisigen Superlegierungen resultiert und eine ausreichende Materialverfügbarkeit gewährleistet werden kann.

Potenziale von Eisenaluminiden, Vorgehensweise, Projektpartner
Abbildung 1: Potenziale von Eisenaluminiden (links) sowie die Vorgehensweise und die Projektpartner im Forschungsprojekt „GeWeFeAl“ (rechts)

Aufgrund des guten Formfüllungsvermögens eignen sich FeAl-Legierungen für die Herstellung im Feinguss mit near-net-shape-Gussroute und ermöglichen damit eine materialeffiziente Verarbeitung. Dennoch kann im Allgemeinen auf eine spanende Nachbearbeitung der Funktionsflächen nicht verzichtet werden. Insbesondere strömungsrelevante Oberflächen, wie sie bei Turbinenschaufeln vorliegen, unterliegen hohen Genauigkeitsanforderungen hinsichtlich der Oberflächenqualität. Diese erfordern spanende Semischlicht- und Schlichtoperationen zur geometrischen Fertigstellung. Jedoch erschweren die Materialeigenschaften die spanende Bearbeitung und führen zu einem rapiden Werkzeugverschleiß. Um eine wirtschaftlich optimierte Bearbeitung des FeAl-Werkstoffs gewährleisten zu können, müssen entsprechende Werkzeuge sowie eine angepasste Prozessführung entwickelt werden.

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Projektes „GeWeFeAl“ wird die Herstellungsprozesskette von Turbinenschaufeln aus Fe25Al1,5Ta [at%] untersucht, mit dem Ziel einer Prozessentwicklung zur gießtechnischen Verarbeitung mit anschließender spanender Nachbearbeitung (Abbildung 1 – rechts). In Anlehnung an die geometrischen Eigenschaften einer Turbinenschaufel wurde zunächst ein Analogiebauteil in Form einer Kreuzprobe sowie ein Analogieprozess zur Werkzeugentwicklung definiert. Beim Projektpartner Access e.V. erfolgen zunächst die Charakterisierung der Gießeigenschaften und die Optimierung des Gießprozesses sowie die Herstellung der Proben. Anhand dieser werden am PTW der TU Darmstadt in Zusammenarbeit mit Wolf Werkzeugtechnologie geeignete Werkzeuge für den Zerspanungsprozess entwickelt.

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Beim Projektpartner AWB werden in Zusammenarbeit mit dem PTW anhand eines Demonstrators in Form einer Turbinenschaufel die entwickelten Werkzeuge abschließend qualifiziert und der Bearbeitungsprozess optimiert. Die vorliegende Untersuchung fokussiert erste wichtige Erkenntnisse hinsichtlich Verschleißerscheinungen sowie Zerspankräften und deren Zusammenhang mit den geometrischen Eigenschaften kommerziell verfügbarer Werkzeugvarianten für schwer zerspanbare Werkstoffe bei der Schlichtbearbeitung der Legierung Fe25Al1,5Ta [at%].

Einsatzverhalten von Werkzeugen mit unterschiedlichen Makrogeometrien

Zur Untersuchung wurden Versuche mit vierschneidigen Vollradiusfräsern mit einem Durchmesser von 6 mm beim Schlichtfräsen von Kreuzproben mittels Ziehschnitt mit linearer Vorschubrichtung und konstantem Schnittweg durchgeführt (Abbildung 2). Untersucht wurden fünf unterschiedliche Werkzeugvarianten, die sich makrogeometrisch unterscheiden. Variiert wurden Drallwinkel, Freiwinkel und Spanwinkel sowie die Schneidenlänge der jeweils zwei auf der Stirnseite zurückgesetzten Schneiden. Hartmetallsubstrat und Beschichtung wurden nicht variiert. Die Schnittparameter wurden analog zur Bearbeitung von Nickelbasislegierungen gewählt, die ebenfalls als schwer zerspanbar gelten. Während der Versuche wurden die Zerspankraftkomponenten aufgenommen und anschließend daraus die auf das Werkzeug wirkenden Kräfte ermittelt. Nach einem Schnittweg von 2,52 m, der sich aus der Probenform und -dimension ergibt, wurde auf den Werkzeugen jeweils der Freiflächenverschleiß mikroskopisch analysiert und die Verschleißmarkenbreite (VB) gemessen.

Einsatzverhalten der Werkzeuge, variierenden Makrogeometrien
Abbildung 2: Einsatzverhalten der Werkzeuge bei variierenden Makrogeometrien beim Fräsen von Fe25Al1,5Ta [at%]. - Grafik: PTW/TU-Darmstadt

Die Versuchsergebnisse sind Abbildung 2 zu entnehmen. Die Bearbeitung der FeAl-Legierung resultiert in einer hohen Werkzeugbelastung bei niedrigen Schnittparametern sowie bereits bei vergleichsweise kurzem Schnittweg (zum Vergleich: der Schnittweg pro Werkzeug bei der Demonstrator-Turbinenschaufel beträgt ≥6 m). Die Verschleißbilder zeigen eine hohe Beanspruchung der Werkzeugschneiden, wobei sich unterschiedliche Verschleißerscheinungen äußern. Werkzeugvariante 1 und 2 zeigen einen hohen Freiflächenverschleiß, der auf überwiegend abrasive und adhäsive Mechanismen zurückgeführt werden kann. Eine Verringerung des Drallwinkels sowie eine Erhöhung des Freiwinkels, wie es bei Werkzeugvariante 3 der Fall ist, bewirken einen Anstieg der Kräfte bei gleichzeitig reduziertem Freiflächenverschleiß. Letzterer wird durch die Erhöhung des Freiwinkels und einer damit reduzierten Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück verursacht.

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Allerdings ist ebenfalls ein Ausbruch an der Schneidkante erkennbar, welcher vordergründig auf die beiden folgenden Ursachen zurückgeführt werden kann. Einerseits bewirkt die Verringerung des Drallwinkels eine Drehung der resultierenden Kraft von der Axialrichtung in Radialrichtung, woraus sich eine höhere mechanische Belastung der Werkzeugschneide ergibt. Andererseits resultiert die Erhöhung des Freiwinkels in einem verkleinerten Schneidkeil, welcher den höheren mechanischen Belastungen nicht Stand halten kann. Die Folge ist ein verfrühtes Ausbrechen der Schneidkanten, wobei dennoch ein verringerter Freiflächenverschleiß gemessen wurde.

Fazit und Ausblick

Die vorgestellten Untersuchungsergebnisse bestätigen, dass die für Hochtemperaturanwendungen im Turbinenbereich vielversprechenden Eigenschaften der Eisenaluminide die spanende Bearbeitung negativ beeinflussen. Die Werkzeugschneiden werden hoher Beanspruchung ausgesetzt, wobei das Verschleißerhalten überwiegend abrasiv geprägt ist. Die Verschleißformen und die Zerspankräfte werden durch die Makrogeometrie stark beeinflusst, wobei geringe Aktivkräfte nicht zwangsläufig mit geringem Verschleiß korrelieren. Eine tendenziell schärfere Schneide mit erhöhtem Freiwinkel in Verbindung mit einem verringerten Drallwinkel kann der Belastung länger standhalten.

Künftige Untersuchungen werden zunächst den Einfluss einzelner Makrogeometrieelemente des Werkzeugs auf den Verschleiß fokussieren. Weiterhin werden Werkzeugeigenschaften, wie Beschichtung, Hartmetallsubstrat sowie Mikrogeometrien und deren Einfluss auf den Werkzeug-verschleiß isoliert untersucht. Nach einer Optimierung der Werkzeugeigenschaften verlagert sich der Fokus auf die Untersuchung der Schnittparameter, um eine hochproduktive und gleichzeitig wirtschaftliche Zerspanung von FeAl-Legierungen zu erzielen. Mit den optimierten Werkzeugen und Prozessparametern werden anschließend Werkzeugstandwege sowie monetäre Aspekte gegenüber denen der Bearbeitung von etablierten Titan- und Nickelbasislegierungen verglichen.

Danksagung

BMWi Logo

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für die finanzielle Unterstützung im Rahmen der Arbeitsgemeinschaft der Industrieforschungsverbände (AIF) und des Zentralen Innovationsprogramms für den Mittelstand (ZIM). nh
Autoren: PTW: M.Sc. Maximilian Wagner & Prof. Dr.-Ing. Matthias Weigold; Wolf: Dipl.-Ing. (FH) Christoph Hamm; Access: Dipl.-Ing. Heiner Michels; AWB: Michael Appelt & Thomas Röser