Einer der häufigsten Fehler bei Schneid- und Bearbeitungsvorgängen ist die Kaltverfestigung.
Da Ti-6Al-4V beim Schneiden eine starke plastische Verformung erfährt, wird die Oberflächenschicht extrem hart, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt und zu Rissen, Abrieb und Kratzern auf der bearbeiteten Oberfläche führt. Ein weiteres häufiges Problem ist eine hohe Schnitttemperatur aufgrund einer geringen Wärmeleitfähigkeit. Der größte Teil der bei der Bearbeitung entstehenden Wärme konzentriert sich in der Schneidzone, anstatt in das Werkstück oder den Span abzuleiten. Diese hohe Temperatur führt zu Werkzeughaftung, Diffusionsverschleiß und Aufbauschneide (BUE), was zu schlechter Oberflächenrauheit, Maßabweichungen und sogar Mikrorissen führt. Darüber hinaus kommt es aufgrund des niedrigen Elastizitätsmoduls der Titanlegierung beim Drehen oder Fräsen leicht zu Rückfederungen und Vibrationen, die zu Dimensionsinstabilität, Konizität und Rattermarken auf der Oberfläche führen.
Bei Warmumformprozessen wie Schmieden und Walzen hängen Fehler eng mit der Temperaturkontrolle und der Gleichmäßigkeit der Verformung zusammen.
Risse sind ein kritischer Mangel, insbesondere an der Oberfläche oder an den Kanten. Versprödung des Alpha-Gehäuses bei hoher Temperatur, ungleichmäßige Erwärmung oder übermäßige Verformungsgeschwindigkeit können zu Kantenrissen, Oberflächenrissen oder inneren interkristallinen Rissen führen. Ein weiterer typischer Defekt ist die Bildung von Alpha-Fällen, einer harten und spröden, mit Sauerstoff angereicherten Schicht, die entsteht, wenn die Legierung an der Luft ohne Schutzatmosphäre erhitzt wird. Dieses Alpha-Gehäuse verringert die Duktilität, das Ermüdungsverhalten und die Schlagfestigkeit. Darüber hinaus kann unsachgemäßes Schmieden zu einer groben Kornstruktur führen, die die Festigkeit und Zähigkeit verringert. Eine ungleichmäßige Verformung kann auch zu Störungen der Fließlinien führen, was die Ermüdungslebensdauer wichtiger Strukturkomponenten erheblich verringert.
Während der Wärmebehandlung können falsche Parameter zu Überhitzung, Überalterung oder Eigenspannungskonzentration führen.
Überhitzung führt zu abnormalem Kornwachstum und spröder Mikrostruktur. Eine Überalterung im STA-Prozess verringert die Festigkeit und Härte erheblich. Unzureichende Kühlung oder ungleichmäßige Erwärmung führen zu Eigenspannungen, die nach der Bearbeitung zu Verformungen, Verwerfungen oder sogar verzögerten Rissen führen können. Bei geschweißten Bauteilen führt eine unsachgemäße Wärmebehandlung nach dem Schweißen leicht zu Schweißeigenspannungen und -verzug, was die Maßhaltigkeit beeinträchtigt.
Zu den häufigsten Fehlern bei der Schweißverarbeitung gehören Porosität, unvollständige Verschmelzung und Schweißrisse.
Titan hat bei hohen Temperaturen eine hohe chemische Affinität zu Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Bei unzureichender Schutzatmosphäre kommt es zur Gasaufnahme, die zu Porosität und erhöhter Sprödigkeit führt. Die Aufnahme von Wasserstoff ist besonders schädlich und kann zu einer verzögerten Wasserstoffspaltung führen. Darüber hinaus erzeugen schnelles Erhitzen und Abkühlen während des Schweißens große Eigenspannungen, die zu Schweißverzug und Heißrissen führen. Die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone weisen häufig eine Verhärtung und einen Verlust der Duktilität auf, wodurch die Gesamtstrukturintegrität beeinträchtigt wird.
Zu den typischen Fehlern beim Gießen zählen Lunkerbildung, Lunkerporosität, Einschlüsse und Entmischung.
Titan hat einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe chemische Reaktivität und muss daher unter Vakuum oder Schutzatmosphäre geschmolzen werden. Eine falsche Gießtemperatur und eine falsche Formfüllung führen leicht zu Schrumpfung und Porosität. Nichtmetallische Einschlüsse reduzieren die Ermüdungsfestigkeit erheblich. Die chemische Entmischung kann zu einer ungleichmäßigen Mikrostruktur und Leistung führen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Titanlegierungen der Güteklasse 5 aufgrund ihrer inhärenten physikalischen und chemischen Eigenschaften anfällig für Kaltverfestigung, Oberflächenabrieb, Werkzeugverschleiß bei hohen Temperaturen, Alpha-Case, Risse, Restspannung, Porosität und Verformung während der Verarbeitung sind.
Diese Fehler können wirksam reduziert oder vermieden werden, indem die Verarbeitungsparameter streng kontrolliert, Spezialwerkzeuge verwendet, Schutzatmosphären eingesetzt, Heiz- und Kühlverfahren optimiert und angemessene Wärmebehandlungen nach der Bearbeitung durchgeführt werden. Das Verständnis dieser häufigen Fehler und ihrer Entstehungsmechanismen ist für die Verbesserung der Produktqualifizierungsrate, die Gewährleistung der mechanischen Leistung und die Verlängerung der Lebensdauer in industriellen Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
