Umformbarkeit und Modellierung der Gefügeentwicklung von Nickelbasislegierungen

Bei der industriellen Produktion von Sicherheitsbauteilen in stationären Gasturbinenwie beispielsweise Turbinenscheiben und -wellen, bietet die Finite Elemente Methode in Kombination mit Gefügemodellen eine Möglichkeit, metallkundliche Vorgänge wie Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum in Abhängigkeit von der Umformgeschichte zu beschreiben und eine Beurteilung des Werkstoffverhaltens innerhalb eines Produktionsprozesses unter Einbeziehung von Mikrostrukturinformationen zu erhalten. Besonders bei der schmiedetechnischen Fertigung von großen Turbinenwellen bis 30 t ermöglicht diese Verfahrensweise dem Hersteller, die Gefügeeigenschaften wie Korngröße und die Korngrößenverteilung im Werkstoff zu simulieren und dadurch den Aufwand kostspieliger Bauteilversuche zu reduzieren.Zudem ist gerade für Schmiedestücke aus Werkstoffen mit hohen Legierungskosten die schädigungsfreie Schmiedung von besonderer Bedeutung. Daher ist die Kenntnis des Umformvermögens der verwendeten Werkstoffe von großer Wichtigkeit. Mit der in dieser Arbeit erfolgten Weiterentwicklung eines bestehenden Konzepts zur Bestimmung des Umformvermögens wird mit verringertem Versuchsaufwand eine direkte Übertragung des ermittelten Umformvermögens vom Grundversuch auf den industriellen Prozess ermöglicht. Der Schwerpunkt in dieser Arbeit lag in der Einbindung der Gefügesimulation und der Bestimmung des Umformvermögens in ein Gesamtkonzept zur Beurteilung der Umformbarkeit von Nickelbasislegierungen.Für die Gefügesimulation wurden über standardisierte Grundversuche für die untersuchten Werkstoffe entsprechende Werkstoffmodelle erstellt, die Änderungen in der Mikrostruktur während und nach der Umformung berücksichtigen. Über die jeweilige Anpassung eines empirisch-phänomenologischen Gleichungssystems an die experimentellen Befunde konnten Effekte der dynamischen und statischen Rekristallisation, sowie des Kornwachstums erfasst werden. Eine Validierung der Werkstoffmodelle erfolgte über einen eigens hierfür konzipierten instationären mehrstufigen Doppelstauchversuch mit Zwischenglühung.Über FEM-Freiformschmiedesimulationen der Fertigung großer Turbinemotoren wurde eine Beurteilung der Ni-Basislegierungen hinsichtlich Schmiedekräfte und Gefügeentwicklung ermöglicht.Für den Erhalt eines Gesamtbildes über die Umformbarkeit von Ni-Basislegierungen wurde mit Hilfe eines Stauchversuchs mit der Probengeometrie "Kragen" das Umformvermögen der Werkstoffe ermittelt Für die Bestimmung des Risszeitpunktes im Versuch wurde die Schallemissionsanalyse verwendet.Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methodik, mit der die versuchstechnische Bestimmung des Umformvermögens und die Übertragung auf einen industriellen Prozess, in diesem Beispiel das Reckschmieden, mit einem deutlich reduzierten Versuchsaufwand zu realisieren ist. Hierbei wurde mit Hilfe von FEM-Simulationen die charakteristische Umformgeschichte an der risskritischen Stelle beim Reckschmieden aufgezeichnet und als Bezugskurve für weitere Optimierungen verwendet. Über kombinatorische Optimierungsverfahren wurde eine spezielle Probengeometrie entwickelt, deren Umformgeschichte diejenige des Reckschmiedefalls nachbildete. Damit konnte die Umformgeschichte an der risskritischen Stelle des Reckschmiedens durch eine einzige rotationssymmetrische Probengeometrie charakterisiert werden.Die innerhalb dieser Arbeiten erbrachten Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung des vorgestellten Konzepts zur direkten Bestimmung des Umformvermögens eines industriellen Umformprozesses umsetzbar ist. Mit Hilfe der neuen Methodik wird der Versuchsaufwand durch die FEM-Analyse und durch die Verwendung kombinatorischer Optimierungsmethoden drastisch