Was beinhaltet der Titanschmiedeprozess? Schritte, Temperaturen und Ausrüstung

Ein geschmiedeter Flansch aus einer Titanlegierung (TC4) für ein Schiffsantriebssystem landete auf dem Prüfstand mit einer Schmiedespezifikation, die während eines zweistündigen Einweichens nur eine Abweichung der Barrentemperatur von 15 °C zuließ. Diese Art von Toleranz ist beim Titanschmieden keine Ausnahme; Es ist normale Betriebsdisziplin. Da die endgültige Mikrostruktur, die mechanischen Eigenschaften und die Kosten von Titan größtenteils beim Schmieden bestimmt werden, sollte jeder Käufer oder Ingenieur, der ein Titanschmiedestück spezifiziert, genau verstehen, was der Prozess beinhaltet.

Was der Titanschmiedeprozess beinhaltet

Beim Titanschmiedeprozess wird ein Titanbarren oder -barren auf eine präzise Temperatur erhitzt – typischerweise zwischen 850 °C und 1.050 °C, abhängig von der Legierung – und anschließend unter kontrollierter Dehnungsrate mit einer hydraulischen Presse oder einem Hammer plastisch verformt, gefolgt von kontrollierter Abkühlung, Wärmebehandlung und Bearbeitung.

Im Gegensatz zu Stahl bieten Titanlegierungen ein schmales verformbares Temperaturfenster. Überschreitet das Werkstück den β-Transus, können sich grobe β-Körner bilden, die durch eine anschließende Wärmebehandlung nicht verfeinert werden können. Ist es zu kalt, steigt die Fließspannung stark an und es kann zur Rissbildung kommen. Deshalb erfordert das Schmieden von Titan eine geschlossene Ofensteuerung, digitale Pyrometrie und Pressen, die eine exakte Regelung der Stößelgeschwindigkeit ermöglichen.

Das kritische Temperaturfenster für das Titanschmieden

Das Schmieden von Titan ist in erster Linie eine thermische Kontrollaufgabe. Die richtige Verarbeitungstemperatur ist je nach Legierungsklasse unterschiedlich, aber jede Titanlegierung hat eine harte Grenze: den β-Transus.

Bei α-β-Legierungen wie Ti-6Al-4V wird das α-β-Schmieden 30–80 °C unter dem β-Transus durchgeführt, typischerweise bei 900–980 °C. Dadurch entsteht eine bimodale Mikrostruktur mit guter Dehnungs- und Ermüdungsbeständigkeit. Das β-Schmieden oberhalb des Transus ergibt eine höhere Kriechfestigkeit, aber eine geringere Zugduktilität und wird nur für bestimmte rotierende Teile in Strahltriebwerken oder Kraftturbinen gewählt.

Die Erwärmung muss gleichmäßig sein. Die Wärmeleitfähigkeit von Titan beträgt etwa ein Drittel der von Stahl, was bedeutet, dass dicke Abschnitte starke Temperaturgradienten aufweisen können. Die Einweichzeit wird normalerweise auf 1 Minute pro 25 mm Querschnitt eingestellt, gefolgt von einer Thermoelementüberprüfung beim Produktionsschmieden.

Schritt-für-Schritt-Titan-Schmiedeprozess

Ein typischer Freiform- oder Ringwalzschmiedezyklus von Titan besteht aus sechs wiederholbaren Phasen, von denen jede ihre eigenen Ausfallrisiken birgt.

1. Materialauswahl und Konditionierung: Der Knüppel ist ein Barren oder Stab in Luft- und Raumfahrtqualität. Oberflächenfehler werden vollständig ausgeschliffen, da sich beim Schmieden eventuell verbleibende Risse öffnen.
2. Vorwärmen: Das Titan wird in einen Ofen geladen, der auf 50–100 °C unter der angestrebten Schmiedetemperatur eingestellt ist. Es wird dort gehalten, um einen Thermoschock zu vermeiden, und dann mit einer Haltezeit auf die Arbeitstemperatur gebracht.
3. Erste Verformung (Stauchung oder Blockierung): Die Presse übt eine langsame, kontinuierliche Kompression aus. Das Ziel besteht darin, die Gussstruktur aufzubrechen und eine Rekristallisation einzuleiten, und nicht darin, eine endkonturnahe Form zu erreichen.
4. Mehrfachdurchgänge mit Nacherwärmung: Im Gegensatz zu Stahl übersteht Titan kein langes Schmieden im Freien. Jeder Durchgang dauert nur wenige Sekunden und das Werkstück kehrt in den Ofen zurück, wenn die Oberflächentemperatur unter den unteren Grenzwert fällt.
5. Werkzeug- und Werkzeugtemperierung: Durch den Kontakt mit kalten Stümpfen entsteht eine gekühlte Schicht auf der Titanoberfläche. Beim fortgeschrittenen Schmieden werden die Gesenke auf 250–400 °C vorgeheizt und mit Beschichtungen auf Glasbasis geschmiert, um ein Anhaften und starkes Abkühlen zu verhindern.
6. Endgültiges Formen und Beschneiden: Der letzte Durchgang bringt das Teil nahezu auf die endgültigen Abmessungen. Eventuelle Grate werden entfernt, während das Metall noch warm ist, und das Teil wird direkt einer kontrollierten Kühlung oder einer dehnungsbegrenzten Vorrichtung zugeführt.

Steuerung der Ausrüstung und Dehnungsrate

Pressen und nicht Hämmer sind die Hauptausrüstung für die Bewegungssteuerung beim Freiformschmieden von Titan. Eine Presse kann eine langsame, konstante Stößelgeschwindigkeit aufrechterhalten, während ein Hammer Stöße mit hoher Dehnungsgeschwindigkeit ausübt, die adiabatische Scherbänder in Titan auslösen können.

Bei Maiterio Intelligent Equipment nutzen Freiformschmiedelinien für Titan hydraulische Pressen mit Stößelgeschwindigkeiten unter 10 mm/s. Für ringförmige Titanteile produzieren Ringwalzwerke nahtlos gewalzte Ringe mit besserem Kornfluss als bearbeitetes Stangenmaterial. Die Wahl zwischen Presse, Hammer und Ringwalze beeinflusst die Mikrostruktur – eine langsame Verformung fördert das kugelförmige α, während eine schnelle Verformung die Gefahr von Rissen an den Korngrenzen mit sich bringt.

Die Freiformschmiedelinien von Maiterio verarbeiten Titan und andere Hochtemperaturlegierungen für anspruchsvolle Kunden, oft gepaart mit einer hauseigenen Grobbearbeitung, um Toleranzen zu kontrollieren.

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Wärmebehandlung und Bearbeitung nach dem Schmieden

Titanteile werden nach dem Schmieden nicht wie Stahl abgeschreckt. Sie werden an ruhender Luft abgekühlt und anschließend einem speziellen Wärmebehandlungszyklus unterzogen, der auf der Legierung und der gewünschten Festigkeitsklasse basiert.

Bei Ti-6Al-4V erfolgt das Glühen bei 700–850 °C, gefolgt von einer Luftkühlung. Lösungsbehandlung und Alterung bei 900–960 °C und dann bei 480–600 °C führen zu einer höheren Festigkeit bei einem gewissen Einbußen bei der Bruchzähigkeit. Da Titan oberhalb von 650 °C mit Sauerstoff reagiert, muss jede Wärmebehandlung in einer kontrollierten Atmosphäre oder mit Schutzbeschichtungen durchgeführt werden. Eine zunderfreie Oberfläche erhält die Dauerfestigkeit des Materials.

Auch die Bearbeitung von Schmiedestücken aus Titan unterscheidet sich von der Bearbeitung von Stahl. Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Metalls konzentriert die Wärme an der Schneidkante, was zu einem schnellen Werkzeugverschleiß führt. Hartmetallwerkzeuge mit Hochdruckkühlung und langsamen Spindeldrehzahlen sind Standard. Die CNC-Vertikaldrehmaschinen und Horizontaldrehmaschinen von Maiterio werden routinemäßig zur Endbearbeitung von Titanringen und -wellen mit einer Oberflächenrauheit von Ra 0,8 µm oder besser eingesetzt.

Qualitätskontrolle für Titanschmiedeteile

Die endgültige Abnahme eines Titanschmiedestücks hängt von drei unabhängigen Kontrollen ab: Mikrostruktur, Ultraschallfestigkeit und mechanische Eigenschaften.

Zur Beurteilung der Mikrostruktur werden mit Kroll-Reagenz geätzte metallografische Schnitte verwendet, um zu bestätigen, dass die α-β-Prozessierung den β-Transus nicht überquert hat. Ultraschallprüfungen erkennen innere Hohlräume, Einschlüsse und Risse, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Zug-, Schlag- und Härtetests bestätigen, dass Festigkeit und Duktilität den Bestellspezifikationen entsprechen. Darüber hinaus ist für Luft- und Raumfahrt- und Energieanwendungen eine vollständig dokumentierte Rückverfolgbarkeitskette von der Blockschmelze bis zur Endbearbeitung erforderlich. Das Qualitätsmanagementsystem von Maiterio folgt ISO 9001 und 14001 und verfügt über interne Prüfroutinen für hochlegierte Materialien.

Häufig gestellte Fragen

Wie unterscheidet sich das Schmieden von Titan vom Schmieden von Stahl?

Das Schmieden von Titan erfordert einen engeren Temperaturbereich, langsamere Verformungsgeschwindigkeiten, vorgeheizte Gesenke und eine strengere Kontrolle der Ofenatmosphäre. Der β-Transus ist eine harte Obergrenze für die meisten α-β-Legierungen, wohingegen Stahl keine entsprechende Kornvergröberungsgrenze für gewöhnliche Kohlenstoff- und legierte Stähle aufweist.

Was ist β-Transus und warum ist es wichtig?

β-Transus ist die Temperatur, bei der eine Titanlegierung vollständig in die β-Phase übergeht. Schon eine Überschreitung der Temperatur um 10 °C beim Schmieden kann zu einer vollständigen β-Struktur führen, die sich in grobe α-Platten umwandelt, was die Duktilität und Ermüdungslebensdauer verringert. Verfahrenstechniker messen den tatsächlichen Transus für jede Charge mittels Differentialthermoanalyse.

Können Titanringe durch Ringwalzen hergestellt werden?

Ja. Nahtlose Titanringe werden auf Radial-Axial-Walzanlagen ringgewalzt. Der Prozess verwendet die gleichen thermischen Kontrollen wie das Freiformschmieden, aber der Verformungsmodus sorgt für einen Kornfluss in Umfangsrichtung, was für Lagerringe und Flansche, die Ringspannungen ausgesetzt sind, von Vorteil ist.

Welche Endbearbeitungsschritte sind für Titanschmiedeteile unerlässlich?

Durch Schleifen wird die mit Sauerstoff angereicherte α-Hülle entfernt, und durch maschinelle Bearbeitung werden verbleibende Zunder oder Entkohlungen entfernt. Anschließend werden die Teile wärmebehandelt, bei Bedarf gerichtet und vor der Abnahme durch Farbeindringprüfung oder Ultraschallprüfung geprüft.