Lifetime Assessment of hot-forged Ti-6Al-4V Aircraft Components based on microstructure and Numerical Analysis

Titel in Übersetzung: Erstellung mikrostrukturbasierter Lebensdauermodelle für geschmiedete Flugzeugkomponenten aus Ti-6Al-4V

Wen Tan

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Betriebsfestigkeitsverhalten des Leichtbau- Werkstoffes Ti-6Al-4V im geschmiedeten Zustand, wobei mit herstellprozessabhängigen Wärmebehandlungen unterschiedliche Gefügestrukturen eingestellt wurden. Neben dynamischen Untersuchungen an Proben wurden ergänzende Versuche an Bauteilen durchgeführt. Dabei dienen die Probenuntersuchungen zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens, wobei die relevanten Einflussfaktoren wie Gefüge, Schmiederichtung, Umformgrad, Mittelspannung, Kerben, Beanspruchungsart, Kurzzeitfestigkeit und Bruchmechanik detailliert untersucht wurden. Für die Übertragbarkeit der Ergebnisse der Probenuntersuchungen wurde die bauteilähnliche Probe „W-Link” entwickelt, mit der einerseits reales Bauteilverhalten abgebildet und andererseits eine Evaluierung der Bewertungsmethoden durchgeführt werden kann. Abschließend tragen die Versuchsergebnisse eines realen Bauteils (Lower-Link-Fitting) zum Abgleich unterschiedlicher Methoden zur Lebensdauerberechnung einen wesentlichen Beitrag bei. Die Bruchflächen der Proben sowie der Bauteile wurden einer ausführlichen Bruchflächenanalyse mittels Lichtmikroskop und Rasterelektronenmikroskop unterzogen. Für eine mikrostrukturbasierten Analyse dienten Schliffe entsprechend vordefinierter Schnittpläne, die einer umfangreichen Erfassung des Gefüges mit geeigneten Mikroskopen zugeführt wurden. Dabei ist ein wesentliches Merkmal die automatisierte Erfassung von Gefügeparametern mittels eines eigens entwickelten MATLAB Code. Mit umfangreichen Auswertungen konnte eine deutliche Abhängigkeit der Schwingfestigkeitseigenschaften von einzelnen Gefügeparametern ermittelt werden. Zu diesen Parametern gehört der primäre Alpha Anteil und „colonysize“ für bi-modales Gefüge und Breite der Alpha Phasen an der früheren beta Korngrenze sowie die Lamellenpaketbreite für lamellare Gefüge. Lebensdauerberechnungen von Bauteilen auf Basis von Probenergebnissen zeigen heute immer noch unerwünschte Diskrepanzen, weshalb in dieser Arbeit ein umfangreicher experimenteller Aufwand und simulationstechnische Betrachtungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse angestellt wurden. Diese Finite-Elemente Simulationen mit ABAQUS basieren auf den zyklischen Materialdaten der Probenversuche, wobei die baugrupperelevanten Einflussfaktoren in der Simulation berücksichtigt wurden (Realitätsnahe Randbedingungen, Vorspannung der Schrauben, Kontaktbedingungen). Mit dem abgeleiteten Materialmodell wurden FEM-Berechnungen an realen Bauteilen durchgeführt. In der abschließenden Lebensdauerbewertung wurden neben dem Werkstoff und der Bauteilgeometrie der Last-Zeit-Verlauf berücksichtigt, um mit unterschiedlichen Schädigungsmodellen Bauteillebensdauerkennwerte zu ermitteln. Dafür wurden spannungs- bzw. dehnungsbasierte Modelle auf Basis der Probenversuche und metallographischen Untersuchungen abgeleitet. Die Modelle wurden an beiden Bauteilserien validiert, wobei auch das lokale Lebensdauerbewertungsprogramm FEMFAT zur Anwendung gekommen ist. Durch den Abgleich von Simulations- und Versuchsergebnissen können nun im Bauteil vorherrschende Randbedingungen in der Simulationen gut berücksichtigt werden, womit eine effektivere Lebensdauerberechnung von warmumgeformten Ti-6Al-4V Bauteilen durchgeführt werden kann.
Titel in ÜbersetzungErstellung mikrostrukturbasierter Lebensdauermodelle für geschmiedete Flugzeugkomponenten aus Ti-6Al-4V
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Kneißl, Albert, Beurteiler B (intern)
  • Eichlseder, Wilfried, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2012

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Betriebfestigkeit
  • Ti-6Al-4V
  • Flugzeugbau
  • geschmiedete Bauteile

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