Schleiflösungen für die Luft- und Raumfahrt

Apr 28, 2023

Flugzeughersteller konzentrieren sich auf neue Triebwerkstypen, die Treibstoff sparsamer verbrennen. Diese neuen Magermotoren arbeiten bei Temperaturen, die die sicheren Betriebswerte heutiger Motorkomponenten aus Superlegierungen auf Nickelbasis deutlich übersteigen. Dadurch entstehen neue Materialien wie Titanaluminid (TiAl), die eine höhere thermische Stabilität bzw. spezifische Kriecheigenschaften, eine geringere Dichte (3,9 bis 4,1 g/cm3) und eine höhere spezifische Festigkeit als bisherige Materialien aufweisen.

Diese Legierungen weisen außerdem eine hohe spezifische Streckgrenze (Streckgrenze/Dichte), eine hohe spezifische Steifigkeit (Elastizitätsmodul/Dichte), eine gute Oxidationsbeständigkeit, Beständigkeit gegen Titanfeuer und gute Ermüdungseigenschaften bei hohen Temperaturen auf. Beispielsweise weist TiAl eine Festigkeit auf, die Superlegierungen bis zu 760 °C (1.400 °F) entspricht, doch die Dichte von TiAl (4,0 g/cm3) beträgt weniger als die Hälfte der Dichte von 718 Inconel (8,2 g/cm3).

Der Austausch von Superlegierungsschaufeln durch leichtere TiAl-Schaufeln im Niederdruckturbinenbereich von Luft- und Raumfahrttriebwerken reduziert das Gewicht und erhöht die Effizienz. Die Reduzierung des Klingengewichts ermöglicht auch die Verwendung einer kleineren Stützscheibe aus Nickellegierung, was das Gewicht weiter reduziert. TiAl-Legierungen können in Niederdruckturbinenstufen zu Gewichtsreduzierungen von bis zu 50 % führen, das Schub-Gewichts-Verhältnis verbessern, den Kraftstoffverbrauch senken und die Abgasemissionen senken.

Der hohe spezifische Modul oder die hohe Steifigkeit ist wertvoll für Komponenten und Baugruppen mit engen Abständen, wie z. B. Dichtungsträger und Auskleidungen. Der hohe spezifische Modul verschiebt außerdem akustische Schwingungen zu höheren Frequenzen, was Reibverschleiß und Ermüdung in anderen Strukturbereichen reduziert. Herkömmliche Titanlegierungen, die bei hohen Temperaturen (mehr als 400 °C oder 752 °F) an anderen Komponenten reiben, können sich in Strahltriebwerken entzünden und Titanbrände verursachen. TiAl ist gegenüber Titanbränden fast genauso beständig wie Superlegierungen, daher könnten Superlegierungsbarrieren zur Verhinderung von Titanbränden durch TiAl ersetzt werden. Nach dem Erfolg von TiAl in Niederdruck-(LP)-Turbinenschaufeln setzen Luft- und Raumfahrtingenieure TiAl auch in Hochdruck-(HP)-Verdichterschaufeln, -Leitschaufeln und Schaufelkippern ein.

Dieselben Eigenschaften, die TiAl für künftige Flugzeugtriebwerke wünschenswert machen, erschweren jedoch auch die Verarbeitung. TiAl ist eine intermetallische Verbindung mit gemischter metallischer und kovalenter Bindung. Intermetallische Materialien wie TiAl weisen eine Kombination aus metallischen und keramischen Eigenschaften auf. Sie verfügen über die für Hochtemperaturanwendungen wünschenswerte Festigkeit bei erhöhter Temperatur, weisen jedoch typischerweise eine geringe Duktilität und Zähigkeit bei Raumtemperatur sowie schlechte Herstellungseigenschaften auf. Die gute Nachricht: Durch die Untersuchung dieser Materialien und die Neudefinition bestehender Herstellungsverfahren ist eine kostengünstige Lösung in greifbare Nähe gerückt.

TiAl enthält 45 bis 50 Atomprozent Aluminium. Bei Raumtemperatur sind TiAl-Legierungen spröde und weisen je nach Legierung und Mikrostruktur eine Duktilität zwischen 0,3 % und 4 % auf.

Im Handel sind mehrere TiAl-Varianten erhältlich, deren Zusammensetzung und Mikrostruktur auf unterschiedliche Verarbeitungsmethoden zugeschnitten sind. TiAl mit Duplexstruktur enthält eine Mischung aus lamellaren Gammakolonien und hexagonalen Alpha-Zwei-Phasen (Ti₃Al). Duplex-TiAl weist tendenziell eine bessere Duktilität bei Raumtemperatur auf, die Kriechfestigkeit beträgt jedoch nur 70 % der aktuellen Nickel-Superlegierungen. Volllamellares und nahezu lamellares Gamma-Titan-Aluminid (γ-TiAl) weisen eine höhere Bruchzähigkeit und Rissausbreitungsbeständigkeit mit Kriecheigenschaften auf, die Superlegierungen bis zu 1.000 °C entsprechen. Kubisches Beta-TiAl weist eine höhere Verformbarkeit auf, was bei beta-erstarrenden γ-TiAl-Legierungen der Fall ist nach isostatischem Heißpressen, spezieller Extrusion und Wärmebehandlung warmgewalzt oder geschmiedet werden.

Rohe γ-TiAl-Formen, die durch Schmieden, Gießen und Pulvermetallurgie hergestellt werden, werden durch maschinelle Bearbeitung, Schleifen oder durch nicht-traditionelle Methoden in fertige Formen umgewandelt, die den erforderlichen Abmessungen, der erforderlichen Oberflächenbeschaffenheit und Oberflächenintegrität entsprechen. Die komplexen Verarbeitungs- und Wärmebehandlungen, die erforderlich sind, um duktile Mikrostrukturen bei Raumtemperatur und Hochtemperatureigenschaften zu erreichen, führen zu einem höheren Buy-to-Fly-Verhältnis oder hohen Materialkosten für TiAl im Vergleich zu herkömmlichen Superlegierungen.

Die geringe Duktilität oder Sprödigkeit (geringe Bruchdehnung), die hohe Festigkeit, die geringe Wärmeleitfähigkeit, der niedrige Elastizitätsmodul und die Reaktivität von TiAI machen es zu einem äußerst schwierig zu bearbeitenden oder zu schleifenden Material. Schneidwerkzeuge verschlechtern sich schnell, was zu geringen Materialabtragsraten führt und die Oberflächenqualität der bearbeiteten TiAI-Komponenten beeinträchtigt, was zu einer Verschlechterung der Materialermüdungsfestigkeit führen kann. Schneidwerkzeuge neigen dazu, mit TiAI zu reagieren und Fressen, Schmieren, Aufbauschneidenbildung und schnellen Werkzeugverschleiß zu verursachen. TiAI hat eine hohe Dehngeschwindigkeitsempfindlichkeit und neigt zur Kaltverfestigung, wodurch sägezahnförmige Späne entstehen. Der Werkzeugverschleiß wird durch abrasive Phasen mit der TiAI-Mikrostruktur beschleunigt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von TiAI konzentriert die Wärme auf die Schneidkante und die Hochtemperaturfestigkeit von TiAI neigt dazu, die überhitzte Schneidwerkzeugkante zu zerdrücken. Die konzentrierte Erwärmung an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück beschleunigt die Reaktionen zwischen Titan und Werkzeug sowie den Verschleiß und die Kraterbildung der Werkzeugflanken.

Daher ist TiAl schwer zu bearbeiten und erreicht nur einen Bruchteil der Bearbeitbarkeit von Aluminium, herkömmlichen Titanlegierungen oder der Superlegierung 718 Inconel. In Tests von Seco Tools war die Bearbeitbarkeit von TiAl ein Drittel der von 718 Inconel und siebenmal niedriger als die der Legierung Ti-6Al-4V. Zur Durchführung der Bearbeitungstests von TiAl waren 20 Wendeschneidplatten erforderlich, im Vergleich zu 6,6 Wendeschneidplatten für Inconel 718. Absplitterungen an spröden TiAl-Werkstücken sind beim Hochgeschwindigkeitsschneiden und -fräsen aufgrund der schlechten Bearbeitbarkeit des Materials und des hohen Werkzeugverschleißes ein häufiges Problem.

Metallurgen betrachten Titan als das „universelle Lösungsmittel“, da Titan im geschmolzenen oder Hochtemperaturzustand mit praktisch allen Metallen und Keramiken reagiert und diese auflöst. Während des Schleifschleifens führt die Reaktivität von Titan zur Bildung von Verschleißflächen oder stumpfen Körnern sowie zur Verkappung oder zum Anhaften von TiAl an den Schleifkörnern. Verbrennungen, Risse, Verformungen oder Eigenspannungen unter der Oberfläche sowie andere Oberflächenschäden sind Herausforderungen, die beim Schleifen von TiAl angemessen angegangen werden müssen. Titan nimmt leicht Sauerstoff, Stickstoff und andere interstitielle Verunreinigungen auf, was zu Verfärbungen, Verbrennungen und Verhärtungen oder Versprödung führen kann.

Seit 2011 ist Norton | Saint Gobain Abrasives hat Tests durchgeführt, um die besten Schleifprodukte und Prozessparameter zum Schleifen und Endbearbeiten dieser und ähnlicher Materialien zu ermitteln. Bei richtiger Anwendung überwindet die Schleifbearbeitung oder das Schleifen viele der Probleme mit Rissen und Oberflächenschäden, die bei der herkömmlichen Einzelpunktbearbeitung auftreten. Fortschrittliche Schleiftechnologie ist im Allgemeinen die beste Methode, um endgültige Teileabmessungen und Oberflächeneigenschaften auf γ-TiAl und anderen intermetallischen Komponenten zu erreichen und gleichzeitig die Oberflächenintegrität aufrechtzuerhalten.

Zunächst ist ein grobes Schleifen erforderlich, um Grate von Schmiedestücken oder Anschnitte von Gussstücken zu entfernen. Aufgrund der Geschwindigkeit des Metallabtrags und der einfachen Zugänglichkeit spielen hier beschichtete Schleifbänder eine Schlüsselrolle. Titanlegierungen können manuell oder, wenn die Produktionsmengen dies erfordern, mit Roboterautomatisierung geschliffen werden.

Norton hat Erfolg beim Trockenschleifen von Titananschnitten unter Verwendung von Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Kornbändern mit einer Superleimschicht. Diese Erkenntnis wird für Kunden relevant sein, die mit der Fertigung mit TiAl beginnen, da erwartet wird, dass das Verhalten der Materialien bei dieser Anwendung konsistent ist. Die Zirkonoxid-Schleifkörner und andere proprietäre Zusatzstoffe im Schleifmittel reduzieren die Schnittkantenverkappung der Schleifkörner. Die in der Superleimschicht enthaltenen Chemikalien unterdrücken das Verbrennen des Titans und hemmen darüber hinaus die Verkappung oder Anhaftung des Titans an den Schleifkörnern. In mehreren Feldtests zum Bandschleifen ohne Handbetrieb auf Backstandmaschinen übertrafen Norton BlueFire R801-Bandprodukte die Konkurrenzprodukte um zwei zu eins. Darüber hinaus bietet das Bandprodukt Norton BlueFire R801P eine noch höhere Metallabtragsleistung und hält Titanteile frei von Schäden (Risse und Verbrennungen).

Da Hersteller von der Kleinserien- zur Massenproduktion übergehen, legen diese Feldtests eine entscheidende Ausgangsspezifikation für die Entfernung von TiAI-Messgeräten fest. Norton empfiehlt zusätzliche Tests, um genaue Spezifikationsparameter zu ermitteln.

Die Tests zur Formgebung und Oberflächenveredelung konzentrierten sich auf die Bewertung von Schleifscheiben mit drei Kernschleifmitteltypen, mit dem Ziel, die richtige Lösung für effizientes und beschädigungsfreies Schleifen zu finden. Die drei getesteten Kernschleifmittel waren Siliziumkarbid (SiC), kubisches Bornitrid (cBN) und Diamant. SiC-Räder erforderten höhere Leistungen und Kräfte und hatten den höchsten Grad an Verkappung oder Metallanhaftung am Korn, was zu Rissen und Verbrennungen an TiAl-Teilen führte. Die cBN-Scheibe zeigte weniger Verklumpungen und einen geringeren Leistungsanstieg beim Schleifen. Diamant-Superschleifscheiben zogen stets die geringste Leistung bei minimaler Deckung auf. Diamantscheiben hatten außerdem die stabilste Leistungskurve als Funktion des abgetragenen Materials und waren in der Lage, 48.000 mm3 Material abzutragen, ohne Komponenten zu beschädigen.

Die Wirksamkeit der Schleiftechnologie mit der Diamantscheibe Norton Winter Paradigm wurde ebenfalls bewertet. Paradigm-Scheiben vereinen Metallbindungs- und Schleiftechnologien und sind ideal für die Aufrechterhaltung eines präzisen Profils beim Schleifen schwer zu schleifender Materialien wie TiAl. Galvanisierte (EP) oder einschichtige Metallscheiben übertreffen zunächst Paradigm-Diamantscheiben, sind jedoch nicht abrichtbar. Sobald die Diamantschleifmittel auf EP-Schleifscheiben stumpf sind, werden sie aus der Maschine entfernt und zur Aufarbeitung geschickt. Die damit verbundenen Ausfallzeiten und das Handling sind kostspielig. Paradigm-Scheiben haben eine deutlich bessere Leistung und eine doppelt so hohe Materialabtragsrate wie SiC. Auch die gesamten Werkzeugkosten der Paradigm-Scheibe betragen beim Schleifen von TiAl nur einen Bruchteil des Preises von SiC- oder EP-Diamantscheiben.

Nachdem die Präzisionsgeometrie geschliffen wurde, glättet und verwischt ein abschließender Schritt des Entgratens und Polierens Markierungen oder Schichten früherer Produkte mit grober Körnung und erzeugt die erforderliche Oberflächenbeschaffenheit. Beim Entgraten und Polieren kommen Schnellwechselscheiben, NoRax-Polierbänder und Schleifvliese zum Einsatz.

Ein Schlüssel zum Erfolg bei der Herstellung von TiAl-Teilen ist die Kontrolle und Reduzierung der Wärmeentwicklung beim Schleifen. Eine optimale Schleifscheibenkühlung und -anwendung leitet die Wärme aus der Schleifzone ab. Durch geeignete Methoden zum Abrichten der Räder bleibt die Schärfe der Räder erhalten, um die Entstehung von Reibungswärme zu minimieren. Bei beschichteten Schleifmitteln kann die Verwendung übergroßer Bänder und niedriger Geschwindigkeiten die Erwärmung und das Verbrennen der Teile reduzieren.

Beim Schleifen von Titanlegierungen sind langsame Bandgeschwindigkeiten entscheidend, um die Reibungserwärmung an der Korn-Werkstück-Grenzfläche zu minimieren. Empfohlen werden Bandgeschwindigkeiten im Bereich von 2.500 bis 3.500 SFPM, was der Hälfte der typischen 5.000 bis 6.000 SFPM für das Schleifen von Stahl oder Superlegierungen entspricht. Langsame Bandgeschwindigkeiten ermöglichen ein besseres Eindringen der Schleifkornkanten in Titanteile. Dieser tiefere Schnitt schleift große Späne oder Spänepartikel ab und reduziert so die Wärmeentwicklung und Teileverbrennung, um ein qualitativ hochwertiges Teil zu erzeugen. Die niedrigen Drehzahlen und die große Spänegröße schaffen eine sichere Schleifumgebung, da kleine Titanpartikel und Hitze das Risiko einer Titanentzündung und eines Brandes erhöhen.

Eine Flut wasserbasierter Kühlmittel beim Präzisionsschleifen hält die Teile kühler und reduziert Hitzeschäden an TiAl-Teilen. Die ordnungsgemäße Kühlmittelzufuhr in die Schleifzone des Werkstücks maximiert die Lebensdauer der Scheibe und verhindert Verbrennungen an Teilen. Norton empfiehlt die Verwendung einer zusätzlichen Hochdruck-Schrubberdüse (>800 psi) zusammen mit der regulären Kühlmitteldüse bei Paradigm-Rädern, die dabei hilft, die Radoberfläche sauberer zu halten, indem die Späne abgespült werden. Die hohen Drücke und der gerichtete Kühlmittelstrom sollten auch der Radgeschwindigkeit von 6.000 SFPM entsprechen.

Kontinuierliches rotierendes Abrichten reduziert Ausfallzeiten und erhält die Schleifscheibenschärfe, wodurch Teilverbrennungen verhindert werden. Das Rotationsabrichten wird durch die Anpassung des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen Abrichtrolle und Schleifscheibe optimiert, das je nach Schleifkorn und Bindungsart variiert. Im Vergleich zu Diamant-Superschleifscheiben müssen SiC-Scheiben mit viel höherer Frequenz abgerichtet werden, um die Schärfe aufrechtzuerhalten.

Norton | Saint-Gobain Abrasives verfügt über vier globale Forschungs- und Entwicklungszentren, in denen das Schleifen aktueller und neuer Materialien kontinuierlich untersucht wird. Der Zugang zu diesen Forschungszentren sowie zum Norton Process Solutions Program (PSP) führt zu der optimalen Schleiflösung für Kunden. Das PSP-Programm bietet Norton-Kunden Insider-Zugang zu technischen Experten und eine Sammlung historischer Schleif- und Endbearbeitungsdaten. Dies ist ein entscheidender Vorteil für eine optimale Fertigung und Produktivität mit neuen Materialien wie TiAl. Eine PSP-Bewertung geht auch über die Empfehlungen von Schleifmitteln hinaus und bewertet den gesamten Herstellungsprozess.

TiAl stellt nur eine der Materialänderungen dar, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingeführt werden. Weitere intermetallische Verbindungen wie Molybdän- und Niobsilizide, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Nitrid-, Karbid- und Oxid-basierte Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe sind in der Entwicklung, um die Triebwerkseffizienz und das Schub-Gewichts-Verhältnis zu verbessern. Mit dem Erfolg der Paradigm-Diamantscheiben beim Schleifen von TiAl sowie Hartmetall- und Keramikschneidwerkzeugen hat Norton | Saint Gobain Abrasives entwickelt sich zusammen mit den Anforderungen der Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie weiter, um diese zusätzlichen neuen Materialien zu berücksichtigen.

Dieser Artikel erscheint in GlobalSpecs Engineering360. Wiedergabe mit Genehmigung.

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