Im Rahmen des ProMetHeus-Teilprojekts „Titania“ hat das LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen des AIT Austrian Institute of Technology kürzlich einen technologischen Durchbruch in der Umformung von Titanblechen (Ti-6Al-4V) erzielt. Durch ein neuartiges Tiefziehverfahren unter 500 °C konnten erhebliche Energie- und Zeitersparnisse erreicht werden. Ein entsprechendes Patent steht kurz vor der Erteilung.
Herausforderungen der Luftfahrtindustrie und Bedeutung von Titan
Die Luftfahrtindustrie steht im Rahmen des Green Deals vor großen Herausforderungen. Neben der Reduktion von CO₂-Emissionen muss die Branche umweltfreundlichere Produktionstechnologien entwickeln. Titan ist in der Luftfahrtindustrie unverzichtbar, da es aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften (z. B. hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, geringe Dichte) nicht durch andere, energieeffizienter herstellbare Materialien ersetzt werden kann.
Allerdings ist die Verarbeitung von Titan, insbesondere der weit verbreiteten α-β-Titanlegierung Ti-6Al-4V, äußerst anspruchsvoll. Herkömmliche Umformungsverfahren sind energieintensiv und komplex. Insbesondere das sogenannte Superplastische Umformen (SPF) erfordert hohe Temperaturen (z. B. 840–930 °C für Ti-6Al-4V) und niedrige Umformgeschwindigkeiten. Zudem bildet sich bei langer Auslagerung an Luft und hoher Temperatur eine spröde, sauerstoffreiche Phase („α-case“) auf der Oberfläche, die durch aufwendiges chemisches Ätzen oder Strahlen entfernt werden muss.
LKR-Innovation: Effizientes Tiefziehverfahren unter 500°C
Ein wesentlicher Fokus des LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen liegt auf der Reduktion von Prozesskosten, Zeit und Energieverbrauch, um CO₂-Reduktionsziele in der Leichtmetalltechnologie zu unterstützen. Diese Ziele werden im COMET-Projekt ProMetHeus / Teilprojekt Titania verfolgt, das Verbesserungen in der Titanblech-Umformung anstrebt.
LKR entwickelte ein innovatives Heißtiefziehverfahren, das zeigt, dass α-β-Titanbleche bei Temperaturen unter 500 °C ausgezeichnet tiefziehfähig sind. Diese Methode ermöglicht den Einsatz von Warmarbeitsstählen als Umformwerkzeuge – anstelle von teuren Nickelbasislegierungen, die für Temperaturen über 600 oder 700 °C erforderlich sind. Dies reduziert die Gesamtkosten weiter und ebnet den Weg für eine industrielle Anwendung.
Da eine isotherme Umformung bei 500 °C oder darunter nicht erfolgreich ist, umfasst das Verfahren eine Vorwärmung des Blechs auf eine Temperatur unterhalb der SPF-Temperatur, bevor es in die Presse überführt wird.
Erste Erfolge und Patentierung
Erste Versuche mit einem speziell entwickelten Warmarbeitsstahl-Werkzeug führten 2022 zur erfolgreichen Umformung eines Testbauteils mit einer Tiefe von 44 mm. Aufgrund dieser vielversprechenden Ergebnisse meldete LKR etwa ein Jahr vor dem Start von ProMetHeus-Titania ein österreichisches Patent an und reichte innerhalb der Prioritätsfrist ein PCT-Patent ein. Weitere Optimierungen im Projekt bestätigten die Robustheit der Methode, wodurch eine Zieh-Tiefe von 68,5 mm erreicht wurde– die maximale Tiefe des Testwerkzeugs.
Dieses herausragende Ergebnis zeigt, dass die Umformbarkeit von Ti-6Al-4V mit unserem Verfahren für unterschiedlichste Anwendungen großes Potenzial hat.
Weiterentwicklung und industrielle Vorteile
Im Rahmen des Projekts konnten die Vorwärmzeit, die Vorwärmtemperatur und die Tiefziehtemperatur weiter reduziert werden. Mehrere Versuche mit Ti-6Al-4V-Blechen unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit, bereitgestellt durch unseren Industriepartner voestalpine BÖHLER Bleche GmbH & Co KG, zeigten eine hervorragende Reproduzierbarkeit. Besonders wichtig ist, dass unser Verfahren auch mit raueren Blechoberflächen erfolgreich funktioniert. Dies reduziert den Schleifaufwand und bietet somit einen erheblichen Vorteil für die industrielle Anwendung.
Auch die mechanischen Eigenschaften sind vielversprechend: Eine Bruchdehnung von über 10 % konnte ohne zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Tiefziehprozess erreicht werden. Dies legt nahe, dass mehrstufige Umformprozesse in komplexeren Werkzeugen künftig ohne Zwischenwärmebehandlung möglich sind. Erste Versuche mit einem zweistufigen Umformprozess verliefen bereits erfolgreich.
Ein weiterer entscheidender Vorteil unseres Verfahrens gegenüber herkömmlichen Ti-6Al-4V-Umformmethoden ist das Fehlen der spröden α-case-Schicht an der Bauteiloberfläche. Dies ist auf die vergleichsweise kurze Hochtemperaturexposition zurückzuführen, wodurch Diffusionsprozesse und die Sauerstoffaufnahme ins α-Titan thermodynamisch begrenzt werden.
Georg Kunschert, der Projektverantwortliche von ProMetHeus-Titania, fasst zusammen: „Unsere neuartige Technik bietet zahlreiche Verbesserungen gegenüber bestehenden Ti-6Al-4V-Umformverfahren und stellt eine echte Erfolgsgeschichte innerhalb des COMET-Projekts ProMetHeus dar. Die bisherigen Ergebnisse bilden eine vielversprechende Grundlage für die industrielle Kommerzialisierung dieser innovativen Titanumformung – mit großem Potenzial für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, den chemischen Apparatebau und die Medizintechnik.“