skript basics fuer level iii nickelbasislegierungen

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ZfP-Schule / Basics fr Level III MTU Aero Engines

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Basics fr Level III(Luft- und Raumfahrt)

VORBEREITUNGSSEMINAR&

GRUNDLAGENVersion 1.0

Autor:

Stefan Neuhusler

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VorwortAlle Personen, die zerstrungsfreie Prfungen im Luft- und Raumfahrtbereich durch-fhren, mssen qualifiziert und zugelassen sein in bereinstimmung mit NAS410bzw. EN 4179. Personal, das die einzelnen Prozessschritte durchfhrt, muss sichmindestens im Level 1 qualifiziert haben. Personen die Entscheidungen treffen berdie Zulssigkeit von Anzeigen, mssen mindestens eine Qualifikation im Level 2 desjeweiligen Prfverfahren haben.Die Anforderungen an den Level III sind deutlich hher.Personal der Stufe 3 muss gem. EN 4179

die praktischen Fhigkeiten und Kenntnisse besitzen, um die Leitlinien, Nor-men sowie die weiteren Vertragsunterlagen, die dem vom Arbeitgeber ange-wendeten ZfP-Verfahren zugrunde liegen, umzusetzen.

in der Lage sein, die technische Verantwortung fr die ZfP-Einrichtung unddas -Personal zu bernehmen.

in der Lage sein, das Prfverfahren und die Prftechnik fr eine bestimmtePrfung zu whlen.

in der Lage sein, die Zweckdienlichkeit von Verfahrensweisen in dem Verfah-ren sicherzustellen und zu berprfen, fr das die Zulassung erfolgt.

ZfP-Verfahren und andere ZfP-bezogene Arbeitsanweisungen aufgrund ihrertechnischen Zweckmigkeit in dem Verfahren genehmigen, fr das die Zu-lassung erfolgt.

allgemeine Kenntnisse besitzen ber weitere ZfP-Verfahren und Produkttech-nologien des Arbeitgebers.

in der Lage sein, die Ausbildung, Prfung und Zulassung von Personal in demVerfahren, fr das es zugelassen ist, durchzufhren oder zu leiten.

die ZfP fr die Annahme von Teilen nur durchzufhren, falls ein Nachweis derentsprechenden Befhigung in der praktischen Prfung enthalten war.

sofern in der Zulassungsvorschrift festgelegt, in der Lage sein, externe Ver-tragsstellen zu auditieren, um sicherzustellen, dass die Anforderungen der Zu-lassungsvorschrift erfllt sind.

Neben der fachlichen Qualifikation im Prfverfahren werden zustzliche Kenntnissevorausgesetzt. Diese sogenannten Basics fr Level III (Luft- und Raumfahrt) bein-halten unter anderem die Grundlagen der Werkstoffkunde, Fertigungsverfahren, zer-strungsfreie Prfverfahren, Oberflchenbehandlung, zerstrende Prfverfahren,Betriebsfestigkeit, Vorschriften und Wahrscheinlichkeitsbetrachtung.Diese Grundkenntnisse sind ntig, um den Anforderungen, welche an einen Level III(Luft- und Raumfahrt) gestellt sind, gerecht zu werden.

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Die Ausarbeitung der Basics fr Level III (Luft- und Raumfahrt) wre ohne die enga-gierte Mitarbeit meiner Kolleginnen und Kollegen, die ausgewiesene Experten imjeweiligen Fachgebiet sind, nicht mglich gewesen. Mein besonderer Dank gilt fol-genden Kolleginnen und Kollegen (in alphabetischer Reihenfolge):

Dr. Joachim Bamberg (Wirbelstromverfahren, Ultraschall) Dr. Hans-Uwe Baron (Korrekturlesen) Dr. Andreas Baus (Nieten und Schrauben) Thomas Brendel (dynamische Prfverfahren, Bruchmechanik) Werner Buchmann (Schmieden) Martin Fessler-Knobel (Kleben) Benjamin Henkel (Magnetpulververfahren) Dr. Falko Heutling (metallische Werkstoffe, Billetherstellung) Dr. Ulrich Knott (Lten) Astrid Kraus (Betriebsfestigkeit) Ralph Kropp (Schweien) Johanna Menges (Ultraschall) Wilhelm Satzger (Shearografie) Michaela Schnell (Recherche und Skript) Stefan Schner (Oberflchenbehandlung) Robert Schuster (Eindringprfung) Siegfried Sikorski (Faserverbundwerkstoffe, Prfung Klebeverbindung) Robert Wege (Gieen) Kilian Vogt (Recherche und Skript) Katharina Wolf (Recherche und Skript)

Mnchen, Mrz 2011Stefan Neuhusler

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Inhaltsverzeichnis

1. Metallische Werkstoffe .................................................................................... 111.1. Einfhrung in die Metallkunde .................................................................... 111.2. Festigkeitssteigerung ................................................................................. 111.3. Elektrische Leitfhigkeit.............................................................................. 131.4. Werkstoffauswahl ....................................................................................... 151.5. Hauptschlich verwendete Flugzeugwerkstoffe ......................................... 161.6. Wichtige Werkstoffbezeichnungen am Beispiel: Triebwerksbau ................ 20

2. Fertigungsverfahren ........................................................................................ 222.1. Gieen ....................................................................................................... 22

2.1.1. bersicht der Werkstoffgruppen .................................................... 222.1.2. Gieverfahren ................................................................................ 232.1.3. Gussfehler und geeignete Prfverfahren ....................................... 282.1.4. Anwendungen im Triebwerksbau................................................... 29

2.2. Schmieden ................................................................................................. 312.2.1. Grundlagen .................................................................................... 312.2.2. Warm-, Halbwarm- und Kaltschmieden.......................................... 312.2.3. Freiformen...................................................................................... 322.2.4. Gesenkformen ............................................................................... 322.2.5. Schmiedefehler und geeignete Prfverfahren................................ 322.2.6. Vor- und Nachteile des Schmiedens.............................................. 332.2.7. Anwendungen im Triebwerksbau................................................... 34

2.3. Faserverbundwerkstoffe............................................................................. 352.3.1. Grundlagen .................................................................................... 352.3.2. Matrixsysteme................................................................................ 362.3.3. Fasern............................................................................................ 372.3.4. Halbzeuge...................................................................................... 382.3.5. Bauweisen ..................................................................................... 392.3.6. Fertigungsverfahren....................................................................... 412.3.7. Prfung von Kernverbunden .......................................................... 44

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2.3.8. Anwendungen in der Luftfahrt ........................................................ 452.4. Billetherstellung von Titan und Titanlegierungen........................................ 47

2.4.1. Grundlagen .................................................................................... 472.4.2. Herstellung von Titanschwamm..................................................... 482.4.3. Herstellung von Titaningot ............................................................. 492.4.4. Herstellung von Titanbillet.............................................................. 522.4.5. Fehler und geeignete Prfverfahren .............................................. 532.4.6. Anwendungen im Triebwerksbau................................................... 53

2.5. Schweien ................................................................................................. 542.5.1. Grundlagen .................................................................................... 542.5.2. Schweiverfahren .......................................................................... 542.5.3. Probleme beim Schweien der unterschiedlichen Werkstoffe ....... 602.5.4. Geeignete Prfverfahren................................................................ 622.5.5. Vor- und Nachteile des Schweiens .............................................. 622.5.6. Anwendungen in der Luftfahrt ........................................................ 63

2.6. Lten .......................................................................................................... 652.6.1. Grundlagen .................................................................................... 652.6.2. Ltverfahren................................................................................... 672.6.3. Reparatur und Prfung................................................................... 692.6.4. Vor- und Nachteile des Ltens....................................................... 702.6.5. Anwendungen im Triebwerksbau................................................... 71

2.7. Kleben ........................................................................................................ 722.7.1. Grundlagen .................................................................................... 722.7.2. Klebstoffarten................................................................................. 722.7.3. Klebefehler..................................................................................... 732.7.4. Prfung der Fgeverbingung ......................................................... 732.7.5. Vor- und Nachteile ......................................................................... 732.7.6. Anwendungsbeispiele in der Luftfahrt ............................................ 74

2.8. Niete und Schrauben.................................................................................. 752.8.1. Grundlagen .................................................................................... 752.8.2. Nieten............................................................................................. 752.8.3. Nietarten ........................................................................................ 76

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2.8.4. Nietfehler und geeignete Prfverfahren ......................................... 802.8.5. Nietanwendungen in der Luftfahrt .................................................. 802.8.6. Schrauben und Muttern ................................................................. 812.8.7. Schrauben- und Mutterarten .......................................................... 812.8.8. Prfung von Schraubverbindungen................................................ 832.8.9. Schraubanwendungen im Triebwerksbau...................................... 83

3. Zerstrungsfreie Prfverfahren ...................................................................... 853.1. Thermografie.............................................................................................. 86

3.1.1. Historie........................................................................................... 863.1.2. Grundlagen .................................................................................... 863.1.3. Passive und aktive Thermografie................................................... 883.1.4. Thermografieverfahren................................................................... 893.1.5. Vor- und Nachteile der Thermografie............................................. 94

3.2. Ultraschall .................................................................................................. 963.2.1. Historie........................................................................................... 963.2.2. Grundlagen .................................................................................... 963.2.3. Ultraschallprfverfahren................................................................. 993.2.4. Methoden zur Anzeigen-Bewertung............................................. 1033.2.5. Anwendungen im Triebwerksbau................................................. 103

3.3. Rntgen.................................................................................................... 1053.3.1. Historie......................................................................................... 1053.3.2. Grundlagen .................................................................................. 1063.3.3. Absorptions-Verhalten verschiedener Stoffe................................ 1093.3.4. Rntgenprfung von Festkrpern ................................................ 1113.3.5. Streustrahlung.............................................................................. 1123.3.6. Anwendungen im Triebwerksbau................................................. 114

3.4. Computertomographie (CT) ..................................................................... 1163.4.1. Historie......................................................................................... 1163.4.2. Grundlagen .................................................................................. 1163.4.3. Prinzip der Computertomographie ............................................... 1223.4.4. Anwendungen im Triebwerksbau................................................. 126

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3.5. Wirbelstromverfahren ............................................................................... 1283.5.1. Grundlagen .................................................................................. 1283.5.2. Induktionsgesetz .......................................................................... 1313.5.3. Wechselstromwiderstand und Induktivitt einer Spule................. 1323.5.4. Eindringtiefe ................................................................................. 1333.5.5. Wirbelstromprfverfahren............................................................. 1343.5.6. Verwendete Spulsysteme ............................................................ 1353.5.7. Prfgert ...................................................................................... 1383.5.8. Anwendungen im Flugzeugbau.................................................... 139

3.6. Magnetpulververfahren ............................................................................ 1403.6.1. Historie......................................................................................... 1403.6.2. Grundlagen .................................................................................. 1403.6.3. Prfmittel...................................................................................... 1423.6.4. Magnetpulverprfverfahren.......................................................... 1443.6.5. Magnetisierungsmethoden........................................................... 1463.6.6. Auswertung .................................................................................. 1503.6.7. Entmagnetisierung ....................................................................... 151

3.7. Eindringprfung........................................................................................ 1523.7.1. Grundlagen .................................................................................. 1523.7.2. Verfahrensablufe........................................................................ 1523.7.3. Entwicklung und Auswertung/Anzeige ......................................... 1543.7.4. Prfmittelsysteme ........................................................................ 1563.7.5. Eigenschaften der Prfmittel ........................................................ 1563.7.6. Anwendungen im Triebwerksbau................................................. 157

3.8. Shearografie............................................................................................. 1593.8.1. Geschichte ................................................................................... 1593.8.2. Grundlagen .................................................................................. 1603.8.3. Verfahrensablauf.......................................................................... 1613.8.4. Vor- und Nachteile der Shearografie............................................ 1633.8.5. Anwendungen in der Luftfahrt ...................................................... 164

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3.9. Sichtprfung ............................................................................................. 1653.9.1. Grundlagen .................................................................................. 1653.9.2. Allgemeine und spezielle Sichtprfung ........................................ 1653.9.3. Arbeitstechnik der Sichtprfung ................................................... 1663.9.4. Hilfsmittel ..................................................................................... 1683.9.5. Anwendungen im Triebwerksbau................................................. 169

4. Oberflchenbehandlung................................................................................ 1704.1. Allgemeines.............................................................................................. 1704.2. Beschichtungen im Triebwerksbau........................................................... 171

4.2.1. Oxidationsschutzschichten........................................................... 1714.2.2. Heigaskorrosionsschutzschichten.............................................. 1734.2.3. Wrmedmmschichten ................................................................ 174

4.3. Geeignete Prfverfahren .......................................................................... 1755. Zerstrende Prfverfahren ............................................................................ 176

5.1. Grundlagen .............................................................................................. 1765.2. Beanspruchungsarten .............................................................................. 1785.3. Verformung von Metallen, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen ... 1795.4. Statische Prfverfahren............................................................................ 182

5.4.1. Zugprfung................................................................................... 1825.4.2. Druckprfung ............................................................................... 1865.4.3. Biegeversuch und Torsion ........................................................... 1885.4.4. Zeitstand ...................................................................................... 190

5.5. Hrteprfung ............................................................................................ 1925.5.1. Hrteprfung nach Brinell ............................................................ 1925.5.2. Hrteprfung nach Vickers........................................................... 1935.5.3. Hrteprfung nach Rockwell ........................................................ 1945.5.4. Hrteprfung nach Shore............................................................. 195

5.6. Dynamische Prfung................................................................................ 1965.6.1. Dauerschwingfestigkeit ................................................................ 1975.6.2. Betriebsfestigkeitsprfung............................................................ 202

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5.7. Bruchmechanik......................................................................................... 2055.7.1. Risslngenmessmethode............................................................. 2065.7.2. Risszhigkeitsversuch.................................................................. 2085.7.3. Rissfortschrittsuntersuchungen.................................................... 2105.7.4. Bruchmechanische Zeitstandversuche ........................................ 2115.7.5. Bruchmechanik bei Faserverbundwerkstoffen ............................. 211

5.8. Prfung von Klebeverbindungen .............................................................. 2135.8.1. Zugscherversuch ......................................................................... 2145.8.2. Scherversuch ............................................................................... 2145.8.3. Schlversuch ............................................................................... 215

6. Betriebsfestigkeit ........................................................................................... 2196.1. Begriffe der Betriebsfestigkeit .................................................................. 2196.2. Vorschriften zur Betriebsfestigkeit ............................................................ 2216.3. Konstruktionsprinzip ................................................................................. 222

6.3.1. Konstruktionsprinzip safe life ..................................................... 2226.3.2. Konstruktionsprinzip fail safe ..................................................... 2226.3.3. Konstruktionsprinzip damage tolerance..................................... 223

6.4. Strukturinspektionen................................................................................. 2256.4.1. Erstellung eines Wartungsprogramms ......................................... 2256.4.2. Ermittlung der erforderlichen Strukturinspektionen ...................... 2276.4.3. Ermittlung der detektierbaren Risslnge ...................................... 229

6.5. Erkennbare Schden und Inspektionsmethoden - Beispiele .................... 2307. Aufbau einer written practice (Zulassungsvorschrift)............................. 233

7.1. Allgemeines.............................................................................................. 2337.2. Qualifikationsstufen.................................................................................. 2337.3. Pflichten und Verantwortung des Personals............................................. 2347.4. Ausbildungsprogramm ............................................................................. 2357.5. Anforderungen an die Erfahrung .............................................................. 2357.6. Prfungsordnung...................................................................................... 2367.7. Aufzeichnungen und Abwicklung.............................................................. 2367.8. Anforderungen an die Erneuerung bzw. Verlngerung der Zulassung..... 236

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8. Wahrscheinlichkeitsbetrachtung.................................................................. 2378.1. Einfhrung................................................................................................ 2378.2. Statistik..................................................................................................... 237

8.2.1. Statistische Erhebung und zugeordnete Begriffe ......................... 2388.2.2. Stichprobe.................................................................................... 2408.2.3. Auswertung statistischer Erhebungen.......................................... 2408.2.4. Graphische Darstellung von Hufigkeitstabellen.......................... 2428.2.5. Lageparameter statischer Hufigkeitsverteilungen ...................... 2448.2.6. Streuungsparameter statischer Hufigkeitsverteilungen.............. 245

8.3. Wahrscheinlichkeitsrechnung................................................................... 2468.3.1. Definition der Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses .................... 2478.3.2. Aufgabe der Wahrscheinlichkeitsrechnung.................................. 2478.3.3. Wahrscheinlichkeitsverteilungen.................................................. 248

8.4. Anwendungen aus der Qualittssicherung............................................... 2538.4.1. Zerstrungsfreie Prfung ............................................................. 2538.4.2. POD-Kurve................................................................................... 2538.4.3. ROC-Kurve .................................................................................. 254

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1. Metallische Werkstoffe

1.1. Einfhrung in die MetallkundeStahl befindet sich seit ber 3500 Jahren im Einsatz. Moderne metallische Werkstof-fe wie Aluminium oder Titan werden erst seit dem 20-igsten Jahrhundert eingesetzt.

Die wichtigsten metallischen Werkstoffe im Flugzeugbau sind:1. Aluminium und -legierungen2. Titan und -legierungen3. Stahl und dessen Legierungen4. Nickel und dessen Legierungen (Triebwerk)

Erwnschte Eigenschaften der Werkstoffe sind im Allgemeinen:o leicht, fest und nichttoxischo kostengnstig und gut beschaffbaro korrosionsbestndig, leicht bearbeitbar

1.2. FestigkeitssteigerungMetallische Werkstoffe werden aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit verwen-det. Durch verschiedene Verfahren kann deren Festigkeit zustzlich gesteigert wer-den. Zu den gngigsten Verfahren gehren:

KaltverfestigungDie, bei der Kaltverformung auftretende Verfestigung ist darauf zurckzufhren, dasswhrend des Umformvorganges neue Versetzungen erzeugt werden. Versetzungensind linienfrmige Baufehler des Gitters, welche sich an Hindernissen wie beispiels-weise Korngrenzen und Einschlssen im Gefge, aufstauen.Die deutliche Festigkeitszunahme geht zu Lasten der Zhigkeit.

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LegierungenReine Metalle sind meist sehr weich und besitzen eine geringe Festigkeit. Durch Le-gieren, das heit durch Zusetzen von einem oder mehreren Elementen, knnen dieWerkstoffeigenschaften von reinen Metallen gezielt beeinflusst werden.

DispersionshrtungDie Dispersionshrtung ist eine spezielle Form der Ausscheidungshrtung.Durch Primrkristallisation, innere Oxidation und pulvermetallurgische Verfahren ver-teilen sich Dispersoide fein im Kristallgitter.

UmwandlungshrtungEin weiteres wichtiges Hrtungsverfahren ist die Umwandlungshrtung. Hierbei wirddas Werkstck soweit erwrmt, dass sich der bei Raumtemperatur vorliegende ku-bisch-raumzentrierte (krz) - Ferrit in kubisch-flchenzentriertes (kfz) - Austenit um-wandelt. In der freiwerdenden Wrfelmitte des kfz-Gitters lagert sich ein Kohlenstoff-atom aus dem Zementit (Fe3C) ein. Wird der kohlenstoffreichere Austenit abge-schreckt, so kann das Eisengitter aufgrund des eingeklemmten Kohlenstoffatomsnicht mehr in das krz-Ferrit umgewandelt werden. Es entsteht ein tetragonal-verzerrtes Gitter, der sogenannte Martensit.Bei der Umwandlungshrtung spielt die Temperaturdifferenz eine groe Rolle. Jegrer die Temperaturdifferenz, desto mehr Martensit wird gebildet.Es knnen nur Sthle gehrtet werden, die mindestens 0,2% Kohlenstoff enthalten.

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[ Verlag Europa-Lehrmittel]Abbildung 1: Eisen-Kohlenstoff- Diagramm [1]

1.3. Elektrische LeitfhigkeitBei der Betrachtung eines einzelnen Atoms ist festzustellen, dass sich die Elektronenstets auf einem diskreten Energieniveau befinden. Die Annherung von zwei Atomenbis auf einen bestimmten Abstand fhrt dazu, dass die Elektronen in den Wirkungs-bereich des jeweils anderen Atomkerns geraten. Somit besitzt ein Elektron kein dis-kretes Energieniveau mehr, sondern es sind mehrere Energiezustnde mglich. Esentstehen sogenannte Energiebnder. Fr die elektrische Leitfhigkeit sind das Va-lenzband und das Leitungsband, die zwei uersten Energiebnder, entscheidend.Das Valenzband ist das letzte Band, das noch mit zwei Elektronen besetzt ist. Das

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Leitungsband ist ausschlaggebend fr die elektrische Leitfhigkeit. Am besten ist dieLeitfhigkeit, wenn dieses Band mit einem Elektron besetzt ist. Dies ist beispielswei-se bei Kupfer und Silber der Fall. Ist hingegen das Leitungsband nicht mit Elektronenbesetzt, handelt es sich um einen Isolator.Die elektrische Leitfhigkeit nimmt mit steigendem Verformungsgrad ab, da aufgrundder hheren Versetzungsdichte die Elektronen behindert werden.

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LMetall Isolator HalbleiterfP-Schule / Basics fr Level III MTU Aero Engines

Abbildung 2: Anordnung der ueren Energiebnder

Valenzband voll mit Elektronen besetzt

Leitungsband teilweise mit Elektronen besetztLeitungsband ohne Elektronen

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1.4. WerkstoffauswahlDie Werkstoffauswahl sollte der beste Kompromiss zwischen der Qualitt des Werk-stoffes und den Kosten sein.

Abbildung 3: Werkstoffauswahl

Funktion eines WerkstoffesNachfolgende Werkstoffkennwerte sind vom Werkstoff-Hersteller garantierte Eigen-schaften, die fr die Auslegung des Bauteils von Bedeutung sind.

o Festigkeitswerteo Steifigkeito Bruchzhigkeito Ermdungsverhalten

Die Gebrauchseigenschaften eines Werkstoffes sind fr den Flugzeugbetreiber vonBedeutung. Die relevanten Qualitten sind Grundlage fr die Konstruktion und Ent-wicklung bei der Zertifizierung des Flugzeuges bzw. der Triebwerke:

o Korrosionsbestndigkeit; insbesondere Spannungsrisskorrosionsbestndigkeito Ermdungsfestigkeito Inspektionshufigkeito Reparatur und Wartung

WerkstoffkostenDie Werkstoffauswahl ist Teil des Entwicklungsprozesses eines Flugzeuges unddessen Triebwerke. Diese Kosten lassen sich folgendermaen aufteilen:

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Der Preis des Flugzeuges bzw. der Triebwerke errechnet sich aus:o Werkstoffkosteno Fertigungskosteno Entwicklungskosten fr neue Technologieno Verwaltung und Vertrieb

Fr den Benutzer fallen folgende Kosten an:o Transportkosten in Abhngigkeit vom Gewicht des Bauteilso Reparatur- und Wartungskosteno Lagerhaltungskosten

Aus dieser kurzen Aufstellung geht hervor, dass beispielsweise durch die Verwen-dung von teueren Werkstoffen der Gesamtpreis eines Triebwerks steigt. Die Folgedaraus sollte jedoch sein, dass die Waage auf der Benutzerseite wieder ausgegli-chen wird. Beispielsweise indem der teuere Werkstoff eine bessere Qualitt liefertund somit der Reparatur- und Wartungsaufwand gesenkt werden kann.

1.5. Hauptschlich verwendete FlugzeugwerkstoffeIm wesentlichen werden in der Luftfahrt Aluminium, Titan, Stahl und Nickel, sowiederen Legierungen verwendet. Zu den neueren Werkstoffen zhlen hierbei die Fa-serverbundwerkstoffe, z. B. CFK, GFK und Claire. Auch die Bedeutung von interme-tallischen Phasen, wie beispielsweise TiAl, nimmt aufgrund deren Vorteile gegenberTitan immer mehr zu. Auf die Eigenschaften und Einsatz von Titan, -legierungen undderen intermetallischen Phasen wird in Kapitel 5 eingegangen.

Die nachfolgende Grafik gibt einen berblick ber die Verwendung der Werkstoffe imTriebwerk.

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Abbildung 4: Werkstoffeinsatz im Triebwerk [2]

Aluminium und -legierungenWie schon erwhnt, sind reine Metalle, also auch Aluminium, sehr weich und habeneine geringe Festigkeit. Durch Zulegieren von Kupfer, Zink, Magnesium, Siliziumoder Mangan werden die Eigenschaften gegenber dem reinen Aluminium wesent-lich verbessert.

Eigenschaften+ gnstiges Verhltnis von Festigkeit zu Dichte+ korrosions- und witterungsbestndig+ hohe elektrische Leitfhigkeit- schwer schweibar aufgrund der hohen Affinitt zu Sauerstoff

Einsatzgebiete Flugzeugzelleo Rumpfo Auenhauto Anbauteileo Innenausstattung

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Einsatzgebiete Triebwerko Anbauteileo Triebwerksgondel

Titan und -legierungenTitan ist ein sehr junger Gebrauchswerkstoff. Erst in den 30er Jahren ist ein techni-scher Herstellungsprozess fr Titan entwickelt worden. Brauchbare Titan-Legierungen gibt es seit ca. 1950.

Eigenschaften+ geringe Dichte von 4,5g/cm3 (entspricht etwa 60% der Dichte von Stahl)+ hohe spezifische Festigkeit im Vergleich zu Stahl+ sehr gute Korrosionsbestndigkeit+ gute Kompatibilitt mit CFK- relativ hoher Preis- schwer umformbar bei Raumtemperatur- hhere Zerspanungskosten als bei Aluminium- Aufnahme von Gasen bei relativ niedrigen Temperaturen, d.h. ab ca. 450C- Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff bilden versprdende Gefgebereiche,

wie Oxide, Nitride oder auch Wasserstoffversprdung- mittlere Steifigkeit; der E-Modul betrgt ca. 50-60% des E-Moduls von Stahl

Einsatzgebiete Flugzeugzelleo hochbelastete Beschlgeo Befestigungselemente wie Niete und Schraubeno Teile, die mit CFK verbunden werdeno Rissstopper in der Aluminiumauenhauto Hydraulik-, Luft-, und Wasserleitungeno feuerhemmende Wnde

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Einsatzgebiete Triebwerko Fan-Schaufelno Verdichterschaufeln und Scheiben im gesamten Niederdruckverdichter-

Bereich, sowie auch teilweise in den vordersten Stufen des Hochdruckverdich-ters

o Rohrleitungen im Triebwerk

Stahl und Nickel sowie dessen LegierungenIm Flugzeug- bzw. Triebwerksbau wird Stahl in seiner reinen Form nur selten ver-wendet. Stahl hat den Nachteil des hohen Gewichtes und der Korrosionsempfindlich-keit. Im Allgemeinen werden in der Luftfahrt rostbestndige Sthle verwendet . Hier-bei handelt es sich um Sthle, die durch Zulegieren grerer Mengen an Chrom undNickel korrosionsunempfindlich sind. Durch das Zulegieren dieser Elemente ndernsich die Eigenschaften der Sthle und die Kosten steigen.bersteigt der Nickelanteil den Stahlanteil, so wird von einer Nickel-Basis-Legierunggesprochen.

Eigenschaften+ hhere spezifische Festigkeit im Vergleich zu Aluminium+ Einsatz bei hohen Temperaturen ist mglich- Stahl, insbesondere nichtrostender Stahl, ist teuer- Dichte ist dreimal so hoch wie die von Aluminium

Einsatzgebiete Flugzeugzelleo Bremseno Fahrwerko Lager, Federn oder Schrauben

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Einsatzgebiete Triebwerko Scheiben und Schaufeln bei den letzten Stufen im Hochdruckverdichter-

Bereich und im gesamten Hoch- und Niederdruckturbinen-Bereicho Lagergehuse, Lagero Wellen

1.6. Wichtige Werkstoffbezeichnungen am Beispiel: TriebwerksbauNachfolgend ein kurzer berblick ber die wichtigsten beim Triebwerksbau verwen-deten Materialien und Legierungen und deren Anwendungsgebiete.

Werkstoffbezeichnung Anwendung, BesonderheitenX10CrNiTi1810(Stahl)

Hydraulikrohre, Blechteile (bis 800C)

X8CrCoBiMo11(Stahl)

Verdichter- und Turbinenscheiben (bis 500C),bedingt rostbestndig

24CrMo12(Stahl)

Wellen, Stirnrder (bis 450C), nicht korrosions-bestndig

Waspaloy(Nickel-Legierung)

Turbinen- und Verdichterscheiben (bis 700C)

Inconel 718, Guss und Schmiede(Nickel-Legierung)

Turbinen- und Verdichterscheiben, Verdichter-schaufeln, Wellen (bis 650C)

C263(Nickel-Legierung)

Blechteile, Flammrohre (bis 800C)

Inconel 100(Nickel-Legierung)

Turbinenschaufeln und -rder (1000C)

Nimonic 90(Nickel-Legierung)

Verdichter- und Turbinenschaufeln (bis 700C)

X40CrMoV 5-1 (Stahl)

Turbinenschaufeln (bis 1000C)

TiAl6V4 Verdichterschaufeln und -scheiben (bis 450C)

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(Titan-Legierung)Ti6242, Schmiede(Titan-Legierung)

Verdichterscheiben, Ringe (bis 600C)

Udimet 720, Pulvermetall(Nickel-Legierung)

Turbinenscheiben, Ringe (bis 1000C)

Nimonic 90(Nickel-Legierung)

Verdichter- und Turbinenschaufeln (bis 700C)

Besonders hervorzuheben ist der Werkstoff Inconel 718. Dieser ist einer der wich-tigsten Vertretern unter den hochfesten Nickel-Basis-Legierungen. Die Flugzeugin-dustrie ist einer der grten Abnehmer fr diesen Werkstoff.

Quellenangaben:Bargel/ Schulze (Hrsg.): Werkstoffkunde, Berlin, Springer, 2005http://www.darmstadt-tu.de/Studium/MawiGrund%20II/Fe-C.pdfDr. Ignatowitz/ Rhrer T./ Schilling K./ Rhrer W./ Strecker D.: Fachkunde Metall, 53.

[1] Auflage, Haan-Gruiten: Europa-Lehrmittel, 1999[2] W. Buchmann und R. Michl: TL-University_Titan-Vortrag.pdf

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2. Fertigungsverfahren

2.1. GieenBei der Einteilung in die sechs Hauptgruppen der Fertigungsverfahren, zhlt Gieenzu der Gruppe des Urformens.Mageblich fr den Einsatz von Guss im Flugzeugbau war die Erfindung derSchmelzflusselektrolyse im Jahr 1886, da erst seitdem die Leichtmetalle Aluminiumund Magnesium industriell hergestellt werden konnten. Relativ jung angesiedelt istdas Feingieen von Titan, welches sich erst seit einigen Jahrzehnten etabliert hat.Gusselemente machen jedoch nur einen relativ kleinen Anteil im Flugzeugbau aus.

2.1.1. bersicht der WerkstoffgruppenMagnesium-, Aluminium- und Titanguss bilden die Gruppe der Leichtmetallgusslegie-rungen. Auf der Schwermetallseite steht der Stahlguss und Nickelbasisguss.

Wie schon bekannt, bildet Aluminium in der Luftfahrtindustrie den grten Anteil anverarbeiteten Werkstoffen, wodurch auch dem Aluminiumguss eine herausragendeRolle zukommt.

Werkstoffgruppen

Leichtmetall Schwermetall

Aluminium StahlMagnesium Titan Nickelbasis

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2.1.2. Gieverfahren

Dauerformen bestehen aus Stahl oder Eisen-Gusswerkstoffen und knnen im Ge-gensatz zu den verlorenen Formen erneut zur Herstellung von Gussteilen verwendetwerden.Verlorene Formen bestehen meist aus Sand (SiO2), der mit Kleber vermischtwird. Die verlorenen Formen werden nach der Erstarrung der Schmelze vom Gussteilentfernt und somit zerstrt. Fr Gussteile, die mit verlorenen Formen hergestellt wer-den, wird immer ein Modell des spteren Gussstcks bentigt.

Wie auch bei den Formen gibt es bei den Modellen, Dauermodell und verlorene Mo-delle.Dauermodelle werden meist aus Kunststoff oder Holz hergestellt. Damit das Modellvor dem Abguss wieder entnommen werden kann, besteht die Form aus zwei Form-ksten, die mit Formsand aufgefllt und verdichtet werden.Verlorene Modelle bestehen meist aus Wachs, Polystyrol oder Kunstharz und wer-den vor dem Abguss der Form nicht entnommen und knnen daher auch einteiligsein. Sie werden nach dem Eingieen des Gusswerkstoffes durch Ausschmelzenoder Verdampfen zerstrt. Mit verlorenen Formen sind auch Hinterschneidungenmglich.

Gieverfahren

Gieen inverlorene Formen

Gieen inDauerformen

Sandgieen FeingieenTitangieen

Kokillengieen Druckgieen

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SandgieenDie lteste Gieart ist das Sandgieen. Die Gieform wird hierbei mit Hilfe einesFormsandes hergestellt. Da Sandformen keine groen Krfte aushalten, wird dieForm allein durch die Schwerkraft mit der Schmelze aufgefllt.

Abbildung 5: Grafische Darstellung des Sandgieens [1]

Vorteile:o geringer Gusspreiso Mglichkeit kurzfristiger nderungen an der Gussform ohne groen Aufwando groe Formen giebar

Nachteil:o Einhaltung Mindestwandstrke (z.B. 3,5mm bei Aluminium)

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FeingussDas Modell wird beim Feingieen aus Wachs oder einem anderen niedrigschmel-zenden Werkstoff hergestellt. Je nach Gre des Teiles werden ein oder mehrereWachsmodelle mit einem Klebewachs zur einer Wachstraube zusammengefgt. Die-se wird durch mehrmaliges Eintauchen in flssige Keramik und anschlieendes Be-sanden gleichmig beschichtet. Dann muss das Wachs in einem Autoklaven unterhohem Druck und unter hoher Temperatur aus der Form geschmolzen werden. Dieentwachste Keramikform durchluft in einem Brennofen mehrere Temperaturstufenund wird auf Endhrte gebracht, um dem spteren Abguss standzuhalten. Nach demBrennen der Keramikform kann dann in die so entstandene Hohlform das flssigeMetall, welches in einem Tiegel mittels Induktion verflssigt worden ist, gegossenwerden. Der Abguss erfolgt an Luft oder im Vakuum. Der Keramikberzug wird nachdem Erstarren der Schmelze durch Abschlagen entfernt.

Vorteile:o gekrmmte Flchen, Hohlrume sowie Hinterschnitte giebaro hohe Oberflchengte und Magenauigkeit

Nachteil:o aufwndiges Verfahren

Titanfeinguss inklusive HIP (Hot isostatic pressing)Aufgrund der hohen Reaktivitt von Titan muss das Schmelzen und Gieen in einerVakuumanlage erfolgen. Um die Reaktionszeit zu reduzieren wird berwiegend imSchleuderverfahren gearbeitet. Die Aufschmelzung erfolgt meistens im Lichtbogenmit einer selbstverzehrenden Elektrode. Infolge einer Reaktion zwischen keramischerFormschale und flssigem Metall muss die sauerstoffangereicherte Oberflche an-schlieend abgebeizt werden. Des Weiteren werden Titangussteile immer mit demHIP (hot isostatic pressing) Verfahren nachbearbeitet, um Gefgehohlrume wiePoren und Lunker zu schlieen. Dabei heilen die Gefgefehler aus und hinterlassenoft eine Einfallstelle auf der Oberflche.

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Vorteil:o porenfreier Abgusso Lunkerfrei

Nachteile:o Guss muss in einer Vakuumanlage oder unter Schutzgas erfolgeno Schmelze ist sehr reaktionsfreudig Kaltwandtigel erforderlich

KokillengussDieses Verfahren wird in der Luftfahrt seltener eingesetzt, da die Kokille aus Metallhhere Kosten erfordert, was nur bei einer groen Stckzahl wirtschaftlich ist. Beikomplizierten Gussstcken werden auch Gemischtkokillen verwendet, bei denennicht ausformbare Innenkerne bzw. Auenformpartien aus Sand gebildet werden.Durch die Abschreckwirkung der Kokille wird ein sehr feines Gefge erreicht. Gie-leistung und Magenauigkeit sowie mechanische Eigenschaften und Oberflchen-qualitt sind in der Regel besser als beim Sandgussverfahren.Es gibt verschiedene Arten von Kokillenguss, zum einen den Schwerkraftkokillen-guss, bei dem, hnlich wie beim Sandguss, die Formfllung und Erstarrung aus-schlielich unter der Wirkung der Schwerkraft erfolgt. Auerdem gibt es noch Spezi-alverfahren wie beispielsweise Kipp-Kokille, Niederdruck- und Gegendruckverfahren.

Vorteile:o sehr feine Gefge mglicho mechanische Eigenschaften und Oberflchengenauigkeit besser als beim

Sandgieen

Nachteil:o hohe Kosten durch den Einsatz der teuren Metallform

Druckguss

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Bei dieser Art von Gussverfahren wird das flssige Metall mit hohem Druck und mithoher Geschwindigkeit in eine metallische Dauerform gepresst, wobei der Druck aufdie Metallschmelze whrend der Erstarrung aufrechterhalten wird. Dieses Verfahrenermglicht die Herstellung dnnwandiger Gussstcke mit komplexer Geometrie, ho-her Magenauigkeit und glatter Oberflche. Hufig werden diese Teile ohne jeglicheNacharbeit verwendet.Bei der Konstruktion eines Druckgussteiles muss bercksichtigt werden, dass dieDruckgieform aus mindestens zwei Hauptteilen besteht, die den Formhohlraum bil-den. Die Lage der Formteilungsebene ist mit dem Gieer abzustimmen, ebenso auchdie Lage der notwendigen Auswerfmakierungen. Bedingt durch die hohen Maschi-nen und Werkzeugkosten ist eine Wirtschaftlichkeit nur bei groen Serien gewhr-leistet. Nachteilig fr die Qualitt des Gussstckes ist, dass systembedingt durch dieturbulente Formfllung Trenn- und Schmiermitteldmpfe in das Gefge eindringen.Dies hat zur Folge, dass das Gefge aufgelockert wird und eine Reperaturschwei-ung sowie eine anschlieende Wrmebehandlung unmglich ist.

Vorteile:o hohe Gussfrequenzo gute Oberflchengte

Nachteile:o Reparaturschweien oder anschlieende Wrmebehandlung nicht mglicho hohe Maschinen- und Werkzeugkosten

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2.1.3. Gussfehler und geeignete PrfverfahrenBeim Gieen und Erstarren knnen diverse Fehler auftreten, wie zum Beispiel:

LunkerLunker sind Hohlrume, die dann entstehen, wenn beim Erstarren der Volumen-sprung zwischen flssig und fest nicht durch eine ausreichende Nachspeisung aus-geglichen werden kann.Nachweis durch Rntgen und Ultraschall.

SeigerungenSeigerungen sind Entmischungen einer Schmelze. Diese Entmischungen knnenbeispielsweise durch stark unterschiedliche Dichten von Legierungselementen her-vorgerufen werden und fhren zu unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften imGussteil.Nachweis durch Seigerungstzen.

GussspannungenGussspannungen knnen durch unterschiedliche Wanddicken und extreme Geomet-riebergnge entstehen. Sichtbar werden Gusspannungen durch Risse oder durchVerzug des Gussteils.Nachweis von Rissen durch Eindringprfung, Magnetpulver und Wirbelstrom.Nachweis von Verzug durch Sichtprfung und Maprfung.

GasblasenGasblasen entstehen, wenn Gase whrend des Erstarrens nicht mehr entweichenknnen. Durch Einhalten der richtigen Gietemperatur knnen diese Fehler vermie-den werden.Nachweis durch Rntgen und Ultraschall

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SchlackeneinschlsseSchlackeneinschlsse treten auf, wenn die Schmelze nicht ausreichend entschlacktwurde. Flache, glatte Oberflchenvertiefungen am Gussteil deuten auf Schlacken-einschlsse hin.Nachweis durch Rntgen und Ultraschall.

Keramische EinschlsseKleine Bruchstcke der Gieformen brechen beim Einguss ab und werden in dasBauteil geschwemmt.Nachweis durch Rntgen und Eindringprfung.

2.1.4. Anwendungen im TriebwerksbauBei der MTU Aero Engines in Mnchen werden beispielsweise Panels, Fairings, Tur-binenaustrittsgehuse oder auch lrohre als Guteile angeliefert. Leit- und Lauf-schaufeln werden mit Hilfe des lost wax Verfahren, d.h. Feingu hergestellt. Beiden Leitschaufeln wird jeweils noch unterschieden zwischen den einzeln gegossenenSchaufeln, Leitschaufelsegment oder dem im ganzen gegossenen Leitschaufelkranz.

Abbildung 6: gegossene Laufschaufeln [2](CF6 Lauf 1 und 2)

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Quellenangaben:Koether R./ Rau W.: Fertigungstechnik fr Wirtschaftsingenieure, 2. Auflage, CarlHanser Verlag, 2005A Herbert Fritz, Gnter Schulze (Hrsg): Fertigungstechnik, Springer Verlag, 2010K.-H. Grote und J. Feldhusen: Dubbel - Taschenbuch fr den Maschinenbau, 22.Auflage, Springer Verlag, 2007

[1] http://www.metallguss-herpers.de/uploads/pics/Form_Kopie_06.jpg[2] MTU Intranet

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2.2. Schmieden

2.2.1. GrundlagenDas Schmieden ist wie das Gieen ein spanloses Fertigungsverfahren. Bei der Ein-teilung in die Hauptgruppen ist dieser Prozess unter Umformen zu finden.Beim Schmieden wird das herzustellende Werkstck meist im glhenden Zustanddurch Schlag oder Druck umgeformt.Die erforderliche Schmiedetemperatur ist ber die Formnderungsfestigkeit desWerkstckes definiert. Diese ist abhngig vom Werkstoff und der Umformgeschwin-digkeit.

2.2.2. Warm-, Halbwarm- und Kaltschmieden

Abhngig von der Umformtemperatur unterscheidet man:

Warmschmiedeno Arbeitstemperatur liegt oberhalb der Rekristallisationstemperaturo geringe Umformkrfteo groe Umformbarkeit der Werkstoffe

Halbwarmschmiedeno Arbeitstemperatur liegt fr Stahl bei 750 - 950Co kein bzw. geringes Verzundern an der Oberflcheo geringere Umformkrfte als beim Kaltumformeno engere Matoleranzen als beim Warmumformen

Kaltschmiedeno Arbeitstemperatur liegt bei Raumtemperaturo enge Matoleranzen sind erreichbaro keine Verzunderung der Oberflche

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2.2.3. Freiformen

Beim Freiformen kann der Werkstoff whrend des Umformvorgangs frei flieen. DasFreiformen wird vor allem fr die Herstellung von Einzelstcken eingesetzt. Charak-terisierend fr das manuelle Freiformen ist die Arbeit am Amboss. Das damit wohlbekannteste herzustellende Werkstck ist das Hufeisen.

2.2.4. GesenkformenIm Gegensatz zum Freiformen kann beim Gesenkformen der Werkstoff nicht frei flie-en. Gesenke (= Werkzeug) bestehen aus warmfesten Stahl, in die Hohlrume ein-gearbeitet sind. Diese Hohlrume entsprechen der Form des zu fertigen Werkstcks.Der vorgewrmte Rohling wird in das Untergesenk eingelegt.Danach wird das Obergesenk nach unten verfahren und es komm zum Schluss desWerkzeuges. Durch den entstehenden Druck wird der Gesenkholraum vollstndigvom Werkstck ausgefllt.Beim Gesenkformen kann man Gesenkformen ohne Grat und mit Grat unterschei-den. Beim Gesenkformen ohne Grat muss das Rohteilvolumen genau berechnetwerden. Beim Gesenkformen mit Grat muss der Grat in einem nachfolgenden Ar-beitsgang mit Schneid- oder Schleifwerkzeugen entfernt werden.

2.2.5. Schmiedefehler und geeignete PrfverfahrenBeim Schmiedevorgang treten vor allem zwei Arten von Fehlern auf:

o Schmiedeberlappungo Kernzerschmieden/ Schmiederisse

SchmiedeberlappungEine berlappung ist eine Materialtrennung, die durch Hineindrcken von dnnemMaterial in die Schmiedeoberflche entsteht.Eine Mglichkeit, wie berlappungen entstehen, ist das Nichtfluchten der beiden Ge-senkhlften. Dadurch kann Metall in die Trennung der Gesenkhlften gedrckt wer-

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den. Beim nchsten Schlag kann dieses Blech in die heie Oberflche hineinge-drckt werden. berlappungen sind immer offen zur Oberflche.Eine andere Mglichkeit ist dort gegeben, wo ein abrupter Richtungswechsel der Fa-serrichtung stattfindet. berlappungen knnen auch durch schlechte Konstruktiondes Gesenks entstehen.

Kernzerschmieden/ SchmiederisseDiese Art von Schmiedefehler tritt auf, wenn das Material bei ungeeigneten Tempe-raturen verformt wird. Die Folge daraus ist die Entstehung von Aufreiungen im Inne-ren des Werkstckes. Das hngt damit zusammen, dass das umzuformende Teilzwar auen bereits die richtige Temperatur hat, aber durch zu kurze Verweilzeit imOfen im Kern noch zu kalt ist. Die entstehenden Brche sind zur Oberflche hin nichtoffen. Diese Erscheinung wird als Kernzerschmieden bezeichnet. Es besteht auchdie Mglichkeit, dass das Material an der Oberflche reit. In diesem Fall sprichtman von Schmiederissen.

Ein geeignetes zerstrungsfreies Verfahren zur Prfung des Schmiedegefges ist dieUltraschallprfung. Zur Detektion von oberflchennahen Rissen findet die Eindring-prfung Verwendung.

2.2.6. Vor- und Nachteile des Schmiedens

Vorteile:o Verdichtung des Werkstckso Steigerung der Festigkeito grobkristallines Gefges geht in feinkrniges ber

Nachteile:o Geringe Genauigkeito ungeeignet zur Herstellung von komplexen Geometrien

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2.2.7. Anwendungen im TriebwerksbauBei der MTU Aero Engines in Mnchen werden ebenfalls geschmiedete Teile bear-beitet. Hierzu zhlen beispielsweise die Verdichter- und Turbinenscheiben, rotieren-de Dichtringe oder das Rohteil der spteren Blisk, um nur einige zu nennen.Des Weiteren werden Verdichterschaufeln und Triebwerksgehuse geschmiedetbzw. gewalzt. Bei den dafr verwendeten Werkstoffen handelt es sich meistens umTitan oder Nickelbasislegierungen. Deren Verwendung variiert je nach Anwendungs-gebiet, z. B. Brennkammer, Hochdruck- oder Niederdruckbereich.

Quellenangaben:Koether R./ Rau W.: Fertigungstechnik fr Wirtschaftsingenieure, 2. Auflage, CarlHanser Verlag, 2005A Herbert Fritz, Gnter Schulze (Hrsg): Fertigungstechnik, Springer Verlag, 2010K.-H. Grote und J. Feldhusen: Dubbel - Taschenbuch fr den Maschinenbau, 22.Auflage, Springer Verlag, 2007

[1] W. Buchmann: Schmieden im Triebwerksbau Grundlagen.ppt, 12.08.2010

Abbildung 7: Gehuse [1] Abbildung 8: Dichtring [2]

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2.3. Faserverbundwerkstoffe

2.3.1. GrundlagenEin Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff, der gebildet wird durch eine natrliche odersynthetische Zusammenstellung von zwei oder mehreren Werkstoffen, damit ge-wnschte spezifische Eigenschaften erreicht werden.Ein Verbundwerkstoff besteht aus:

Verstrkung (z.B. Fasern) + Matrix (z.B. Kunstharz)

Verbundwerkstoffe, bei denen die Verstrkung durch Fasern erreicht wird, heienFaserverbundwerkstoffe.Bei den Faserverbundwerkstoffen besteht die Matrix entweder aus einer Reaktions-harzmasse oder einem thermoplastischen Harzsystem.Die Reaktionsharzmasse ist eine verarbeitungsfhige Mischung eines Harzes mitden zum Hrten erforderlichen Reaktionsmitteln (Hrter, Beschleuniger, usw.).Zum Hrten ist gegebenenfalls Wrmezufuhr erforderlich.

Entsprechend der Art der Faserverstrkung unterscheidet man zwischen:o Glasfaserverstrkter Kunststoff (GFK)o Carbonfaserverstrkter Kunststoff (CFK)o Aramidfaserverstrkter Kunststoff (AFK)

Im Gegensatz zu isotropen Werkstoffen wie Metallen, lassen sich bei Faserverbund-werkstoffen durch die Variationsmglichkeiten bei der Orientierung und Verteilungder Verstrkungsfasern gezielte Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften einesBauteils konstruieren.

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2.3.2. Matrixsysteme

In der Luftfahrtindustrie kommen am hufigsten die nachfolgenden Matrixsystemezum Einsatz:

Epoxidharze (EP-Harze)Harze, die mit Hrtungsmitteln durch eine bestimmte chemische Hrtungsreaktion inden festen Zustand bergehen. Die Hrtungsreaktion verluft ohne Abspaltung vonReaktionsprodukten. Hierbei entsteht ein rumliches Netzwerk aus Moleklketten,das nicht mehr schmelzbar ist und keine Warmumformung mehr zulsst. Epoxidhar-ze weisen gute mechanische Eigenschaften auf und sind gegen alle im Flugzeugvorkommenden Medien sehr gut bestndig.Die hohe chemische Reaktivitt der Epoxide verleiht ihnen auerdem sehr gute Kle-beeigenschaften untereinander und mit anderen Werkstoffen.Fr die Herstellung von Strukturbauteilen werden nahezu ausschlielich warmhr-tende Systeme mit Aushrtungstemperaturen von 125C bzw. 180C eingesetzt.

PhenolharzeDiese Harze zhlen zu den Kunstharzen, welche durch die Kondensation eines aro-matischen Alkohols mit einem Aldehyd entstehen, insbesondere von Phenol mit For-maldehyd. Die freiwerdenden Kondensationsprodukte knnen sich nachteilig auf dieQualitt der Bauteile auswirken.Aufgrund der guten thermischen Bestndigkeit werden sie vorwiegend fr die Her-stellung von Bauteilen der Innenausstattung eingesetzt, die strengen Brandschutzan-forderungen unterliegen.

ThermoplasteIm Gegensatz zu den Reaktionsharzsystemen bentigen die Thermoplaste keinenaufwendigen Hrtungszyklus. Die Moleklketten sind untereinander nicht vernetzt,die Verarbeitung kann daher durch einen thermischen Formgebungsprozess erfol-gen, der nur wenige Minuten beansprucht. Damit eignen sich Thermoplaste in Ver-bindung mit Kurzfasern (1-10 mm Faserlnge) hauptschlich fr kleinere Bauteile,die in Pressen oder auf Spritzgussmaschinen hergestellt werden knnen.

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2.3.3. Fasern

Die in Strukturbauteilen zum Einsatz kommenden Fasern sind im allgemeinen End-losprodukte mit rundem Querschnitt und je nach Fasertyp mit Durchmessern von 5-12 .m Eine einzelne Faser wird auch als Filament bezeichnet. Jeweils 3000 (3K),6000 (6K) oder 12000 (12K) Fasern werden fr die Verarbeitung zu Faserbndeln,sogenannten Rovings zusammengefasst. Die Rovings werden hufig auf Textilma-schinen zu einem Gewebe, Geflecht oder einem Gelege weiterverarbeitet.Im Flugzeugbau vorwiegend eingesetzte Verstrkungsfasern bestehen aus folgen-den Werkstoffen:

GlasEin anorganisches Schmelzprodukt, das ohne Kristallisation zu einem harten Zu-stand abgekhlt ist. Glasfasern werden aus geschmolzenen Glas gezogen. Glasfa-sern haben einen Schmelzpunkt von ca. 800C. Wegen des relativ hohen Gewichtsund der niedrige Steifigkeit ist das Leichtbaupotenial im Vergleich zu den anderenVerstrkungsfasern geringer. Vorteilhaft ist der niedrige Preis, die Durchlssigkeit frelektromagnetische Strahlung, die Unempfindlichkeit gegen Medien (z. B. Wasser)und das gutmtige Versagensverhalten.

KohlenstoffCarbonfasern werden aus Kunststofffasern durch thermischen Abbau hergestellt.Kohlenstofffasern haben hohe Zugfestigkeiten und Steifigkeiten, niedrige Bruchdeh-nung und sind an Luft bis etwa 350C gegen Oxidation stabil. Die Verbindungen mitLeichtmetallen sind durch Korrosion gefhrdet. Carbonfasern sind elektrisch leitend und deshalb fr Antennenabdeckungen nicht geeignet.

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AramidMit Aramid werden aromatische Polyamide bezeichnet. Ein Handelsname ist KEV-LAR oder TWARON.Fasern aus Aramid weisen einen hohen Orientierungsgrad der Einzelfilamente unddaher im Vergleich zu anderen Fasern gute gewichtsbezogene Eigenschaften in Fa-serlngsrichtung, jedoch niedrige Festigkeiten senkrecht zur Faserrichtung auf.Zudem haben diese die grte Bruchdehnung und das niedrigste spezifische Ge-wicht von allen Verstrkungsfasern. Die Fasern lassen sich nur mit speziellen Werk-zeugen schneiden. Als Polymer nimmt die Faser selbst Feuchtigkeit aus der Umge-bung auf, was sich nachteilig auf die Eigenschaften auswirken kann. Die Aramidfa-sern haben eine relativ schlechte Haftung zur Kunststoffmatrix im Vergleich zu denanderen Verstrkungsfasern.

2.3.4. HalbzeugeDie Ausgangsmaterialen fr die Herstellung der Bauteile sind bei Flugzeugbauteilenberwiegend Prepreg.Prepreg ist eine Wortschpfung aus dem Englischen und bedeutet preimpregnated.Bei diesem Halbwerkzeug sind die Fasern bereits mit der Harzmatrix vorgetrnkt.Die Matrix liegt in einem vorreagierten Zustand vor, durch Khllagerung bei -18Cwird die Weiterreaktion weitgehend unterbunden. Bei Raumtemperatur sind diePrepregs jedoch nur eine begrenzte Zeit, ca. 20 bis 30 Tage, verarbeitungsfhig.Je nach Faserhalbzeug im Prepreg unterscheidet man zwischen:

UD-TapeHierbei liegen alle Fasern parallel in einer Richtung. Dieses Tape kann beispielswei-se mittels Wickelverfahren oder eines Webprozesses zu einem Gewebe verarbeitetwerden.

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Gewebe PrepregHierbei sind zwei Faserbndel als Kett- und Schussfaden flchig miteinander verwo-ben. Abhngig von Bindungsart und Anzahl der Faserbndel in der jeweiligen Rich-tung sind Gewebe mit unterschiedlichen Eigenschaften erhltlich.

Trockene FaserhalbzeugeTrockene Faserhalbzeuge (Rovings) werden vor allem beim Wickelproze verwen-det, bei denen das Harz erst im Fertigungsprozess zugefhrt wird. Bei neuen Ferti-gungsverfahren mit sehr niedrig viskosen Harzen kommen ebenfalls trockene Faser-strukturen vermehrt zum Einsatz. Hierbei wird von sog. Harzinjektionsverfahren (Re-sin Transfer Molding = RTM) gesprochen. Des Weiteren knnen auch komplizierte,dreidimensionale verwobene oder geflochtene Halbzeuge eingesetzt werden, die ineinem Prepregprozess nicht mit Harz eingetrnkt werden knnen.

2.3.5. Bauweisen

Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen werden nach zwei grundstzlichen Bauwei-sen unterscheiden:

o Monolithische Bauteileo Kernverbund- oder Sandwichbauteile

Monolithische BauteileMonolithische Bauteile werden ausschlielich unter Verwendung von Fasern undHarz, d.h. aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Der Werkstoff wird ver-gleichbar einem Blech eingesetzt, wobei die einzelnen Lagen sowie rtliche Verstei-fungen auch in rumlicher Geometrie durch das Harz miteinander verbunden sind.Diese Bauweise wird vorzugsweise bei hochbelasteten Bauteilen eingesetzt.

Kernverbund- oder SandwichbauteileKernverbund- oder Sandwichbauteile bestehen aus zwei Decklagen und einem Kern.Die Anbindung des Kerns erfolgt entweder durch das Prepregharz selbst oder, fallsdie Decklage schon in einem vorhergehenden Fertigungsschritt ausgehrtet wurden,

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durch zustzlich aufgebrachten Klebefilm. Die Decklagen bestehen aus CFK-, GFK-oder AFK-Laminaten. Als Kernwerkstoffe kommen im Flugzeugbau entwederSchaumstoffe oder in den meisten Fllen Wabenkerne zum Einsatz. In Sandwich-bauteilen mit CFK-Decklagen werden aus Korrosionsschutzgrnden ausschlielichnichtmetallische Waben, meist NOMEX-Waben eingesetzt. NOMEX ist eine Produkt-bezeichnung fr Waben aus phenolharzgetrnktem Polyamidpapier.Fr niedrigbelastete, flchige Bauteile mit hohen Anforderungen an die Formsteifig-keit wird die Kernverbund- oder Sandwichbauweise angewandt.

Innerhalb der Kernverbund- oder Sandwichbaubauteile wird nochmals zwischen zweiBauweisen, integral und differentielle, unterschieden.

Integrale und differentielle BauweisenVon einer integralen Bauweise spricht man, wenn eine Gesamtstruktur mit allen rtli-chen Versteifungen, z.B. Doppler, Stringer usw. in einem einzigen Arbeitsgang her-gestellt wird.Im Gegensatz hierzu werden fr eine in differentieller Bauweise gefertigte Gesamt-struktur die Einzelkomponenten separat gefertigt und in weiteren Fertigungsschrittendurch Kleben oder Nieten zusammengefgt.

Abbildung 9: Sandwichstruktur in Differential- und Integralbauweise [1]

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2.3.6. FertigungsverfahrenViele strukturelle Faserverbundbauteile werden heute aus Prepreg hergestellt, manspricht deshalb auch vom Prepregverfahren. Die Prepregs werden zum grten Teilim Autoklavverfahren bei 125C oder 180C und einem Druck von bei 4 -6 bar aus-gehrtet, seltener und nur fr ebene Bauteilgeometrien auch in der Heizpresse.

Grundstzlicher Fertigungsablauf1. Zuschnitt der bentigten Prepreg Einzellagen nach Bauunterlage von Hand

oder mittels Schneidemaschine.2. Ablegen (Laminieren) der zugeschnittenen Prepreglagen, direkt in eine Vor-

richtung oder auf entsprechende Laminierkerne manuell oder von Robotern.3. Kompaktieren und Entlften von Lagenpaketen durch Vakuumziehen sowie

falls erforderlich Umformen der laminierten Prepreglagen bei einer Temperaturvon maximal 80C um eine Vorhrtung zu Vermeiden

4. Verschlieen der Form mit Vakuumfolien zum Hrten im Autoklaven.Hrten unter Temperatur und Druck. Die Vorgaben fr die Prozessparametersind abhngig vom eingesetzten Werkstoffsystem und in den jeweiligen Da-tenblttern verankert.

5. Entformen des gehrteten Bauteils6. ggf. Tempern des Bauteils auerhalb der Form7. mechanische Bearbeitung

Prozessparameter fr die AushrtungIm Gegensatz zu metallischen Werkstoffen entsteht bei Faserverbundbauteilen dereigentliche Werkstoff erst whrend des Fertigungsprozesses, genauer noch whrenddes Aushrtungsvorganges im Autoklaven oder in der Presse. Der kritischste (undhufigste) Fehler ist eine lokale Trennung von zwei Faserschichten, die Delamitati-on genannt wird.

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Drei Faktoren stellen die spteren mechanischen Eigenschaften und damit die Leis-tungsfhigkeit des Bauteils sicher:

o ausreichende Vernetzung der Reaktionsharzmatrixo fehlstellenfreie Verbindung der einzelnen Faserschichteno geringe Porositt (keine Lufteinschle)

Die chemische Reaktion selbst ist nicht an einen bestimmten Druck gebunden, einausreichender Vernetzungsgrad ist daher druckunabhngig. Die Druckbeaufschla-gung ist jedoch wesentlich fr die fehlstellenfrei Verbindung der Faserschichten, d.h.Vermeidung von Delaminationen, und eine geringe Porengre.Whrend der Aufheizung wird das Harz verflssigt, unter Druck stellt sich im Harzeine hydrostatische Druckverteilung sowie ein gewisser Harzfluss in Richtung aufdruckrmere Bereiche ein. Beides zusammen ermglicht zum einen die Konsolidie-rung (Verdichtung) des Laminataufbaus und zum anderen das Austreten von Luftein-schlssen und sind somit Voraussetzungen fr ein porenfreies Lamiant.Der Harzgehalt der Prepregsysteme ist so eingestellt, dass stets ein Anteil ber-schssiges Harz vorhanden und deshalb ein Minimum an Harzfluss sichergestellt ist.Die Viskositt der Harze muss andererseits so eingestellt sein, dass der Harzflussnicht zu gro wird. Sonst kann es zu Verschiebung und Verwerfung der Lagen, Auf-schwemmen von Fasern in Randbereichen sowie lokalen berschreitungen des ma-ximal zulssigen Faseranteils von 64 Vol-% kommen.

Mit der blichen Prepregbauweise sind groflchige (bis zu 100 m) Einzelbauteilebis zu eine Dicke von mehreren Zentimetern herstellbar. Diese Teile werden zu kom-plexe Strukturen, z B. Tanks, Druckbehlter, Rmpfe zusammengefhrt.

Die folgenden Fertigungsverfahren kommen seit kurzem vermehrt im Flugzeugbauzum Einsatz.

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Resin Transfer Molding (RTM)Hierbei handelt es sich um ein Harzinjektionsverfahren. Trockene Faserhalbzeugewerden in die offene Negativvorrichtung eingelegt, diese wird anschlieend auf End-ma geschlossen. In die evakuierte Vorrichtung wird dann das Harz unter geringemberdruck mit einer Pumpe injiziert. Das Harz kann entweder als fertige Mischung(Einkomponentensystem) oder als getrennte Komponenten (Harz, Hrter) vorliegen.Vor dem Einspritzen wird das Harz hufig auf bis zu 60 C erwrmt, um die Viskosittabzusenken. ber einen Auslauf aus der Form wird ein gewisser Harznachlauf er-mglicht um eine porenfreie und vollstndige Durchtrnkung des Trockengeleges zugewhrleisten. Die Harzzufuhr und der berlauf knnen ber Ventile gesteuert wer-den. Das Harz kann ber die Pumpe whrend der Aushrtung mit Druck beauf-schlagt werden. Die Aushrtung erfolgt in einem Ofen mit einer Druckbeaufschla-gung bis ca. 6 bar. Die erforderlichen Temperaturen und Zeiten liegen in der Gren ordung von Prepregsystemen.Das Prinzip bietet wirtschaftliche und fertigungstechnische Vorteile fr Bauteile mitgroen Dicken und komplizierten Geometrien.

Resin Infusion (RI)Auch bei diesem Verfahren werden Harze und Fasern als getrennte Halbzeuge ein-gesetzt. Sowohl die Faserhalbzeuge fr das RTM Verfahren als auch die dort ver-wendeten Harze knnen eingesetzt werden. Der wesentliche Unterschied in derTechnik besteht darin, dass keine geschlossenen Vorrichtungen verwendet werdenund das Harz nicht eingespritzt wird. Das Faserhalbzeug wird in die Vorrichtung ein-gelegt, das Harz z.B. als Harzfilm aufgebracht . Der Aufbau zur Hrtung im Autokla-ven gleicht weitgehend einem Prepregaufbau. Die Durchtrnkung erfolgt whrenddes Hrtungszyklus.Das Verfahren eignet sich zur Herstellung, groer, flchiger Schalenbauteile.

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2.3.7. Prfung von KernverbundenBei Kernverbunden werden Prfungen durchgefhrt, die darauf abzielen, nur dieWabe oder den gesamten Verbund zu prfen. Die Prfung kann beispielsweise mitHilfe nachfolgender Versuche durchgefhrt werden.

WabenzugversuchDie Wabe wird an zwei metallische Zugblcke angeklebt. Zur Ermittlung der Waben-zugfestigkeit werden die Blcke in Wabenrichtung auf Zug belastet.

WabendruckversuchDie normalerweise durch Decklagen stabilisierte Wabe wird in Wabenrichtung aufDruck belastet.

BiegeversuchBeim Biegeversuch kann durch Vernderung des Auflagerabstandes eine reine Bie-gebeanspruchung auf die Wabe gebracht werden oder eine Schubbeanspruchung.Sandwichproben werden im 3- oder 4-Punkt-Biegeversuch geprft.

PlattenscherversuchHierbei wird die mit einer Decklage versehne Wabe zwischen zwei Metallplatten ge-klebt und auf Schub beansprucht. Es tritt Schubversagen der Wabe auf.

Trommelschlversuchhnlich wie bei Klebeverbindungen wird hier eine Decklage von der Wabe abge-schlt und so die Schlfestigkeit der Verbindung Wabe/Decklage ermittelt.

Druckversuch senkrecht zur WabeBeim Druckversuch senkrecht zur Wabe wird die mit Decklagen stabilisierte Wabenan den Enden zur Krafteinleitung in einen Kunststoff eingegossen und auf Druck be-lastet. Versagen kann nicht durch Wabencrash sondern auch durch Knickung, Ein-knicken oder Beulen der Decklage erfolgen.

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Auf geeignete Methoden zur Prfung der Klebeverbindung von Faserverbundwerk-stoffen wird detailliert in Kapitel 5.8 eingegangen.

2.3.8. Anwendungen in der LuftfahrtDer Anteil an Faserverbundteile in der Luftfahrt steigt kontinuierlich an. Komponen-ten, wie z. B. das Seitenleitwerk, Landeklappen oder Spoiler, werden bereits seit ei-nigen Jahren aus Verbundwerkstoffen hergestellt.An der neuen Boeing 787 Dreamliner ist sogar der komplette Rumpf aus diesemnichtmetallischen Werkstoff hergestellt.In Abbildung 10 sind die einzelne Komponenten des A380 aufgezeigt, bei denen Fa-serverbundwerkstoffe zum Einsatz kommen.

Abbildung 10: Faserverbundbauteile am A380 [2]

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Bei Flugtriebwerken setzt vor allem die Firma General Electric Faserverbundwerk-stoffe im FAN Modul ein (Abbildung 11). Bei dem GEnx ist neben den Fan-Schaufelnauch das Fan-Gehuse aus faserverstrkten Kunststoff (FVK).

Quellenangaben:M. Neitzel und P. Mitschang: Handbuch Verbundwerkstoffe, Carl Hanser Verlag,2004H. Czichos und M. Hennecke: Das Ingenieurwissen, 32. Auflage, Springer, 2004M. Flemming, G. Ziegmann, S. Roth: Faserverbundbauweisen Halbzeuge und Bau-weisen, Springer, 1996G. W. Ehrenstein: Faserverbund-Kunststoffe, Carl Hanser Verlag, 2. Auflage, 2006

[1] M. Flemming, G. Ziegmann, S. Roth: Faserverbundbauweisen Halbzeuge undBauweisen, Springer, 1996[2] http://www.uni-stuttgart.de/aktuelles/science/2004/02/text.html[3] MTU: Herr Siegfried Sikorski

Abbildung 11: GE90 Fan-Schaufel,FVK-Schaufelblatt mit Ti-Vorderkante [3]

(seit 1996 im Flugbetrieb)

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2.4. Billetherstellung von Titan und Titanlegierungen

2.4.1. GrundlagenTitan zhlt mit 0,6% nach Eisen, Aluminium und Magnesium zum vierthufigsten Me-tall der in der Erdrinde vorkommenden Elemente. In der Hufigkeit der Elementesteht Titan an neunter Stelle, genauer gesagt wird davon ausgegangen, dass zur ZeitVorkommen von Titanoxidreserven von 650 Millionen Tonnen zur Verfgung stehen.Eine bersicht ber die globale Verteilung der Vorkommen zeigt Abbildung 12.

Abbildung 12: Verteilung der globalen Vorkommen von TiO2 [1](in Mt, Zahlen von 1999)

Bereits im Jahre 1825 stellte J. J. Berzelius durch Reduktion von TiO2 mit Na unrei-nes, metallisches Titan her. Erst 1910 reduziert der Amerikaner M. A. Hunter TiCl4mit Hilfe von Na zu Titan mit einem Reinheitsgrad von 99,9%. Die industrielle Pro-duktion wurde ab 1938 durch das von W. Kroll entwickelte Verfahren ermglicht, dasaber erst seit 1946 grotechnisch angewendet werden kann.Der Herstellungsprozess vom Titanerz zum Titanbillet wird nachfolgend beschrieben.

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2.4.2. Herstellung von TitanschwammAls Ausgangsmaterial dient das in der Natur vorkommende Rutil (TiO2) und Ilmenit(FeTiO3).Zu Beginn ist eine Vorreinigung des Ilmenit ntig, dabei wird das Eisen vom preis-werten Ilmenit getrennt. Die entstehende Titanschlacke wird angereichert, so dassdiese eine vergleichbare Konzentration mit dem Rutil (TiO2) aufweist.Die Herstellung von Titanschwamm lsst sich mit Hilfe des Kroll-Prozesses realisie-ren. Um zum Endprodukt zu gelangen, bedarf es vieler Verfahrensschritte. Dieserzeit- und energieaufwndige Prozess hat sich dennoch ber die Jahre hinweg durch-gesetzt und stellt heute immer noch das Standardverfahren zur Titangewinnung dar.In Abbildung 13 ist der durchzufhrende Reduktionsablauf (erweiterter Kroll-Prozess) fr Ilmenit und Rutil dargestellt.

Abbildung 13: erweiterter Kroll-Prozesszur Herstellung von Titanschwamm

Bei diesem Prozess wird TiO2 in mehreren Schritten zu TiCl4 umgewandelt. Die End-reduktion erfolgt mit Magnesium. Die dabei verbleibenden Rckstnde von Mg undMgCl2 werden durch Vakuumdestillation aus dem TiCl4 herausgelst. Als Endproduktbleibt der sogenannte Titanschwamm, dessen Reinheit von der Menge an Verunrei-

Mg

Magnesiumchlorid Elektrolyse

Ruttl / Ilmenit

Konzentrationen

Verhllung

Roheisen bei Ilmenit Schlackenkonzentrat

Titantetrachlorid

Reduktion durch Mg Titanoxid

Vakuumdestillation

Titanschwamm

Chlor

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nigungen (z. B. Mg) bestimmt wird. Die Zunahme des Anteils an Verunreinigungenhat den Anstieg der Brinellhrte von TiCl4 zur Folge.Zum Schluss wird der Titanschwammkuchen mechanisch aus dem Reaktionsgefentfernt und zerkleinert. Hierzu wird zunchst in der Grobstufe mit Hilfe einer Guillo-tine grobe Stcke vom Schwammkuchen abgetrennt: und anschlieend in der Fein-stufe zwischen rotierenden Walzen zerkleinert.

Abbildung 14: Titanschwammkuchen [2] Abbildung 15: zerkleinerter Titanschwamm [3]

Titanschwamm stellt die Ausgangsbasis fr die Herstellung jeglicher Halbzeugfabri-kate auf Titanbasis dar, aber auch zur Auflegierung von titanstabilisierten Edel-stahlsorten.

2.4.3. Herstellung von TitaningotAufgrund der Morphologie des Schwammes und zur Einstellung von Legierungszu-sammensetzungen ist ein Umschmelzen notwendig. Dabei werden aus dem Titan-schwamm zudem leicht flchtige Reduktionsrckstnde (z. B. Chloride) beseitigt.Der Schmelzvorgang liefert je nach Schmelzverfahren ein Produkt in Gu-, Block-und/oder Brammenform mit geforderter Homogenitt.Bei den Schmelzverfahren ist zwischen dem Vakuumlichtbogenofen (VAR), demCold-Hearth-Melters-Verfahren und dem Skull-Melters-Verfahren zu unterschei-den.

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Vakuumlichtbogenofen (VAR)Zu Beginn wird der Schwamm vorverdichtet, es entstehen sogenannte Compacts,aus denen die zur Schmelze vorgesehenen Elektroden zusammengesetzt werden.Fr Titanlegierungen ist der entsprechende Gehalt von Legierungselementen, inForm von Vorlegierungen oder elementar, diesen Compacts zu zugeben. Es knnendurchaus auch kleinstckige Schrotte beigemengt werden.Wegen der hohen Sauerstoffaffinitt des Titans werden die Compacts in einer Plas-maschweianlage unter Argon-Schutzgasatmosphre zur Elektrode zusammenge-fhrt. Dies ist erforderlich, damit sich das beim Schweien, auf ber Schmelztempe-ratur, erhitzte Titan nicht mit dem Luftsauerstoff zu TiO2 verbindet.Im klassischen Fall wird die entstandene Elektrode im Vakuumlichtbogenofen min-destens zweimal umgeschmolzen. Zwischen der Elektrode und dem mit Zndspnenversehenen wassergekhlten Tiegelboden wird ein Lichtbogen gezndet. Aufgrunddieser Wrmeenergie schmilzt die Elektrode tropfenfrmig ab. Das Schmelzbad wirdwassergekhlt und es bildet sich im Tiegel der gewnschten Block bzw. Ingot.

Abbildung 16: Prinzipskizze eines Vakuumlichtbogenofens

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Das Cold-Hearth-Melters- und Skull-Melters-Verfahren sind als Weiterentwicklun-gen im Bereich der Schmelztechnologien zu nennen.Beide Verfahren werden hauptschlich fr hohe Schrotteinstze (bis zu 100%) ver-wendet. Des Weiteren bieten diese die Mglichkeit brammenfrmige Formate zu er-schmelzen. Als Wrmequelle wird bei dem Cold-Hearth-Melters-Prinzip Elektronen-strahl- bzw. Plasmakanonen eingesetzt. Die klassische Lichtbogentechnologiekommt beim Skull-Melters-Verfahren zum Einsatz.

Abbildung 17: Prinzipskizze eines "Cold-Hearth-Melters"-Prozesses [4]

Abbildung 18: Prinzipskizze eins "Skull-Melters"-Prozesses [5]

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2.4.4. Herstellung von TitanbilletAnschlieend wird der zylindrische Ingotblock auf Freiformschmiedpressen und/oderRadialumformmaschinen zu Vormaterialstangen bzw. Billets umgeformt, d.h. der In-got wird gestaucht und gereckt. Das Schmieden erfolgt abwechselnd oberhalb undunterhalb der -Umwandlungstemperatur, um die Gussstruktur aufzubrechen undein mglichst feinkrniges globulares ( + )-Gefge zu erhalten. Die Einstellungdes bentigten Enddurchmessers fr das sptere Freiform- oder Gesenkschmiedenkann im letzten / Umformschritt eingestellt werden.Diese thermomechanische Behandlung im Vormaterialwerk beeinflusst wesentlichdie spteren Eigenschaften.

Abbildung 19: schematische Darstellung des Herstellungsprozess vom Ingot zum Billet [6]

Als Weiterverarbeitungsprozess nach dieser Billetherstellung folgt i. d. R. derSchmiedeprozess.

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2.4.5. Fehler und geeignete PrfverfahrenBei der Herstellung von Titanbillets kann es zu Seigerungen, Einschlssen oder auchLunkern kommen. Um die Qualitt sicherstellen zu knnen, bedarf es diese Schmelz-fehler durch geeignete Prfverfahren erkenntlich zu machen. Dabei finden vor allemdie Ultraschallprfung ihre Anwendung.

2.4.6. Anwendungen im TriebwerksbauDie Gewichtsersparnis, galvanische Kompatibilitt wie auch die Korrosionsbestn-digkeit des Titans, sind nur einige Eigenschaften, die den Einsatz dieses Werkstoffesin der Luftfahrt ansteigen lassen.Derzeit werden Titanlegierungen, z. B. Ti64, Ti6242 und Ti6246, im thermisch geringbelasteten Verdichterbereich (ca. 600C) eingesetzt.Zuknftig sollen Nickelschaufeln in den letzten Stufen im Turbinenbereich (ca.800C) durch leichtere Schaufeln mit intermetallischen Phasen, z. B. TiAl (Titanalu-minid), ausgetauscht werden. Die hhere Warmfestigkeit, gegenber den normalenTitanlegierungen, ermglicht den Einsatz dieser neuen Schaufeln in dem hinterenBereich der Niederdruckturbine. Zur Herstellung dieser TiAl-Schaufeln werden Billetsals Rohmaterial verwendet.Die MTU Aero Engines plant zuknftig an die Titanbilletsherstellung einen Schmie-deprozess anzuschlieen und diese Teile anschlieend weiterzubearbeiten. Hiermitwird das obengenannte Ziel verfolgt, Nickelschaufeln durch TiAl-Schaufeln auszu-tauschen.

Quellenangaben:M. Peters und C. Leyens: Titan und Titanlegierungen, WILEY-VCH Verlag, 2002http://andy-reiche.de/Download/Herstellung%20von%20Titan.pdfE. Moeller: Handbuch Konstruktionswerkstoffe, Carl Hanser Verlag, 2008W. Buchmann und R. Michl: TL-University_Titan-Vortrag.pdf[1], [4], [5] M. Peters und C. Leyens: Titan und Titanlegierungen, WILEY-VCH Verlag,2002[2], [3], [6] W. Buchmann und R. Michl: TL-University_Titan-Vortrag.pdf

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Schweiverfahren

Schmelz-Schweien(ohne Kraft)

Press-Schweien(mit Kraft)

Wolfram-Inertgas-

Schweien

Elektronen-strahl-

schweien

Laserstrahl-schweien

Widerstands-Punkt-

schweien

Widerstands-Rollennaht-schweien

Reib-schweien

2.5. Schweien

2.5.1. GrundlagenGem DIN-Norm 1910 Teil1 versteht man unter Schweien die Verbindung vonBauteilen unter Anwendung von Druck oder Wrme mit oder ohne Schweizusatz-werkstoff. Dabei wird der Grundwerkstoff in der Regel aufgeschmolzen und nach Er-kaltung entsteht ein unlsbarer Verbund.Man unterscheidet zwei verschiedene Arten des Schweiens zum einen das Verbin-dungsschweien und zum anderen das Auftragsschweien. Letzteres kommt im Be-reich der Beschichtung zum Einsatz und wird in diesem Kapitel nicht behandelt.Nachfolgend wird auf die unterschiedlichen Fgearten des Verbindungsschweieneingegangen.

2.5.2. Schweiverfahren

In der Luft- und Raumfahrt werden berwiegend nachfolgende Schweiverfahreneingesetzt.

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Wolfram-Inertgas-Schweien (WIG)Der Lichtbogen brennt zwischen einer nichtabschmelzenden Wolframelektrode unddem Bauteil. Als Schutzgas werden die inerten Gase Helium oder Argon verwendet,diese schtzen den Schweivorgang vor Luftzutritt und somit vor Oxidation derWerkstckoberflche. Der Schweizusatz wird ber einen getrennten Zusatzstabzugefhrt.

[ Thomas Seilnacht]

Abbildung 20: WIG-Schweien [1]

Verfahrensmerkmale:o fr fast alle Metalle geeignet, inklusive Aluminiumo abhngig vom Material sind Blechstrken von 0,1mm bis mehrere mm

schweibaro hohe Schweinahtgte

ElektronenstrahlschweienDurch das Beschleunigen von Elektronen in einer Vakuumkammer trifft ein gebndel-ter Elektronenstrahl auf das Werkstck. Die kinetische Energie des Elektronenstrahlswird beim Auftreffen auf das Werkstck in thermische Energie umgewandelt undschmilzt somit den Werkstoff auf. Durch Bndelung des Elektronenstrahls auf Brenn-fleckdurchmesser unter 0,1mm begrenzte rtliche Erhitzung mit groer Tiefenwir-kung.

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Die ganze Anordnung muss sich im Vakuum befinden oder der Schweivorgang fin-det unter Schutzgas statt. Dadurch werden En

skript basics fuer level iii nickelbasislegierungen

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