Untersuchung des Optimierungspotentials der mechanischen Eigenschaften von Titan-Aluminium-Verbindungen durch eine nachfolgende Wärmebehandlung

Abstract

Hybridverbunde aus Aluminium- und Titanlegierungen sind zum Beispiel für die Luftfahrt von besonderem Interesse, weil sie die ausgezeichnete spezifische Festigkeit und exzellente Korrosionsbeständigkeit des Titans mit der hohen spezifischen Biegesteifigkeit des kostengünstigeren Aluminiums kombinieren können. Als Beispiel sei die angedachte Hybridsitzschiene in den am höchsten korrosionsgefährdeten Bereichen der Flugzeuge aus dem Airbus Long Range und Single Aisle Programm erwähnt. Ziel dieser Arbeit war es, Werkstoffverbunde verschiedener Titan- und Aluminiumkomponenten herzustellen und zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den mechanisch-technologischen Eigenschaften lag, da diese durch eine thermische Nachbehandlung optimiert werden sollten. Die Werkstoffverbunde wurden erstmals durch Strangpressen gefügt und mit reibgeschweißten verglichen. Durch eine Prozesssimulation des Strangpressens, bei der die besondere Bedeutung der Kontaktbedingungen aufgezeigt werden konnte, konnte der Prozess soweit optimiert werden, dass ein Abreißen des Titankerns vermieden und in der Literatur geäußerte Bedenken ausgeräumt werden konnten. Zur Optimierung wurde eine angepasste Pressstrategie verfolgt, indem von einer symmetrischen mit innenliegendem Titan-Verstärkungselement zu einer asymmetrischen mit außenliegendem Titan-Verstärkungselement gewechselt wurde. Durch Strangpressen wurden erstmals zusammenhängende Verbunde der Komponenten Ti99,2&Al99,5, Ti99,2&AlSi1MgMn sowie TiAl6V4&AlSi1MgMn gefügt und mit der reibgeschweißten Komponentenkombination TiAl6V4&AlSi1MgMn verglichen. Die nachgeschaltete Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Verbunde wurde hinsichtlich der Parameter Lösungsglühdauer, Abkühlbedingungen, Auslagerungstemperatur und -dauer untersucht. Die gefügten Verbunde wurden bei 540 Grad Celsius für 0,25 h bis 16 h lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und entweder bei 180 Grad Celsius für 2 h warmausgelagert oder bei Raumtemperatur für mindestens 8 Tage kaltausgelagert. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der gefügten und wärmebehandelten Werkstoffverbunde wurden über die Verbundfestigkeit charakterisiert. Sie wurden in quasistatischen Zugprüfungen gemessen, indem mit der Fügezone im Prüfbereich liegenden Proben gezielt entnommen wurden. Zur Interpretation der gemessenen Verbundfestigkeiten war die Beschreibung des Auslagerungsverhaltens - im Besonderen der aushärtbaren Aluminiumkomponente AlSi1MgMn - im Zustand nach Durchlaufen der Fügeoperation notwendig. Die Untersuchungsergebnisse der Verbunde mit der Komponente AlSi1MgMn sind in Tabelle 8-1 zusammenfassend dargestellt. Die Verbundfestigkeiten der unlegierten Aluminiumkomponenten lagen auf signifikant niedrigerem Niveau und konnten erwartungsgemäß nicht durch eine thermische Nachbehandlung optimiert werden