2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16157Der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen aus Titanlegierungen ermöglicht Entwicklungssprünge in vielen Sektoren der Industrie. Diese Werkstoffe zeichnen sich vor allem durch ihre mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften aus. Einsatzgebiete der am weitesten verbreiteten Titanlegierung TiAl6V4 sind in der Medizintechnik (Implantate), in dem Automobilsektor (Verbindungsstangen, Ventile, Turbolader), in der Kunststoffbranche (Düsen für Spritzgießwerkzeuge), in der chemischen Industrie (Rührelemente, Ventile), in der Energietechnik (Turbinenschaufeln) und in der Luft- und Raumfahrt (Triebwerksteile, Fahrwerksteile) zu finden. Die hervorragenden Eigenschaften von TiAl6V4 für die Anwendung erschweren jedoch gleichzeitig deren Zerspanung. Im Vergleich zu Stahlwerkstoffen zeigt diese Legierung eine hohe Warmfestigkeit bis ca. T = 550 °C und niedrige Wärmeleitfähigkeit (λ = 5,8 W/mK), eine ausgeprägte Neigung zur Kaltverfestigung sowie eine abrasive Wirkung. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit führt zu hohen Spantemperaturen, da die erzeugte Prozesswärme zum größten Teil in die Werkzeuge fließt und nicht über den Span abtransportiert wird. Eine weitere Konsequenz ist das Auftreten von chemischen Reaktionen an der Werkzeugoberfläche aufgrund der hohen Zerspantemperatur. Für die spanende Bearbeitung dieser Werkstoffe bedeutet dies, dass die Werkzeuge einer erheblichen thermischen Belastung sowie einer hohen mechanischen Belastung unterliegen. Aus diesen Gründen ist die Fertigung von komplexen Bauteilen aus Titanlegierungen durch spanende Bearbeitung bislang wirtschaftlich nicht möglich, da diese Werkstoffe starken Werkzeugverschleiß verursachen, der in signifikant erhöhten Kosten resultiert. Der Einsatz von Hartstoffschichten, die mit PVD-(Physical Vapour Deposition)-Verfahren abgeschieden werden, sind in der Drehbearbeitung von Titanlegierungen bisher nicht industriell etabliert. Der Grund dafür ist, dass das entsprechende Beanspruchungskollektiv bislang nur unzureichend erforscht ist und die chemischen und physikalischen Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen dem Werkstoff Titan und den beschichteten Werkzeugen noch nicht verstanden sind. Das Ziel dieses Gemeinschaftsforschungsvorhabens der Forschungsstellen IOT und IPMT besteht in der Herstellung von temperaturaktiven (Cr,Al,V)N-Schichtsystemen mittels einer Kombination der dcMS-(direct current Magnetron Sputtering)- und HPPMS-(High Power Pulsed Magnetron Sputtering)-Technologie sowie in der Untersuchung der auftretenden physikalischen und chemischen Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen Beschichtungen und TiAl6V4 und in der Beschreibung des thermischen und mechanischen Beanspruchungskollektivs während der Drehbearbeitung von Titanlegierungen mit beschichteten Hartmetallwerkzeugen. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens sollen dazu beitragen, eine wirtschaftliche Ti-Zerspanung möglich zu machen.The application of high performance titanium alloys enables great advancement in many sectors of the industry. These materials offer good mechanical, thermal and chemical properties. Application areas of the most widely used titanium alloy TiAl6V4 are in medical technology (implants) in the automotive sector (connecting rods, valves, turbocharger), in the plastic industry (nozzles for injection), in the chemical industry (stirring elements, valves), in power engineering (turbine blades) and in the aerospace industry (engine and suspension parts). The outstanding properties of this material difficult but at the same time its machining. Compared to steel materials, TiAl6V4 exhibits a high temperature resistance up to T = 550 ° C and low thermal conductivity (λ = 5.8 W/mK) as well as a pronounced tendency to strain hardening and an abrasive effect. The poor thermal conductivity leads to high chip temperatures und the process heat flows for the most part in the tools and is not transported through the chip. Another consequence is the development of chemical reactions at the tool surface due to the high process temperature. For the machining of these materials, this means that the tools are subject to a considerable thermal stress and a high mechanical load. Therefore, the production of complex components made of titanium alloys by cutting process is economically not possible due to the fact that this material causes high tool wear, which is associated with high costs. The use of hard coatings deposited by PVD (physical vapour deposition) process for tuning of titanium alloys are not established in the industry. The reason for this is that the corresponding load collective is so far insufficiently researched and the chemical and physical cause-effect relations between titanium and coated tools are not yet understood. The aim of this cooperation research project between IOT and IPMT is the production of temperature active (Cr,Al,V)N coating systems by a combination of dcMS (direct current magnetron sputtering) and HPPMS (high power pulsed magnetron sputtering) technology as well as the investigation of physical and chemical cause-effect relations between coatings and TiAl6V4 and the description of the thermal and mechanical loads during turning of titanium alloy with coated cemented carbide tools. The results of this research project will contribute to make an economical cutting process for titanium alloys possible.