Thermally induced stress evolution in a Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B electrode during melting in an atomization process

Titel in Übersetzung: Thermisch induzierte Spannungsentwicklung in einer Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B Elektrode während des Schmelzens in einem Verdüsungsprozess

Jakob Bialowas

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Die Legierung Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B, bekannt unter dem Markennamen TNM, ist ein Leichtbauwerkstoff, welcher für hochbeanspruchte Bauteile entwickelt wurde, die hohen Einsatztemperaturen ausgesetzt werden. Mit einer Dichte von 3.9g/cm³ und hoher Festigkeit auch bei Temperaturen über 700°C eignet sich dieser Werkstoff ideal für den Einsatz in der Flugzeugindustrie. TNM kommt bereits als Material der Turbinenschaufeln in der Niederdruckstufe der Geared Turbo Fan (GTF) Turbine im Flugzeugbau zum Einsatz. Die Fertigung dieser Bauteile erfolgt mithilfe von pulvermetallurgischen Verfahren, wobei das Pulver im sogenannten EIGA-Verfahren (Electrode Induction melting Gas Atomization) hergestellt wird. Dabei wird eine TNM Elektrode kontinuierlich durch induktiv erzeugten Wärmeeintrag abgeschmolzen, und die Schmelze anschließend verdüst. Für die Optimierung dieses Prozesses ist die genaue Kenntnis des zeitlich veränderlichen Temperatur- und Spannungsfeldes in der Elektrode maßgeblich. Eine experimentelle Charakterisierung ist jedoch zu komplex, daher wird in dieser Arbeit der Prozess mithilfe eines nummerischen Modells abgebildet. Dazu müssen drei Phasen der Herstellung modelliert werden: (i) Zunächst wird die Elektrode aus dem Schleuderguss abgekühlt, wobei sich hier schon aufgrund der auftretenden Temperaturgradienten Eigenspannungen einstellen. (ii) Danach erfolgt das Aufheizen der Elektrode bis Schmelztemperatur durch eine Wärmequellenverteilung, wie sie aufgrund der Anordnung der Induktionsspulen zu erwarten ist. Diese Wärmequellen wandern zeitlich gesteuert, entsprechend der Geschwindigkeit des Abschmelzprozesses die Elektrode entlang. (iii) zufolge dieser Temperaturhistorie ergeben sich thermomechanische Spannungen, die den in Phase (i) entstandenen überlagert werden. Die komplexe Temperaturgeschichte in Phase (ii) kann mit den Standardmöglichkeiten kommerzieller Finite Elemente Software nicht aufgebracht werden, sondern muss über zusätzliche User-Subroutines programmiert werden. Dieses Modell erlaubt es, die resultierenden Spannungen für unterschiedliche Geometrien und Spulenanordnungen zu ermitteln. Aus der Zielsetzung, die auftretenden Spannungsmaxima zu minimieren, können Richtlinien für die Wahl optimaler Prozess- und Geometrieparameter abgeleitet werden.
Titel in ÜbersetzungThermisch induzierte Spannungsentwicklung in einer Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B Elektrode während des Schmelzens in einem Verdüsungsprozess
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung12 Apr. 2019
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 02-03-2024

Schlagwörter

  • Titan-Aluminium-Legierung
  • Eigenspannungen
  • Finite Elemente Methode
  • thermo-mechanische Simulation

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