Validierung der Prozessstabilität der Herstellungsroute für Leichtmetall-Strukturbauteile auf Basis geschlossener Titanlegierung-Werkstoffkreisläufe
Projekt TiReGo
Neue Schmelztechnologie für nachhaltige Ti6Al4V-Miniingots
Ziele
Im Rahmen des Teilprojektes der HWH soll die schmelzmetallurgische Prozessroute zur Herstellung von Ti6Al4 grundlegend mit den dazu notwendigen Prozessen der Rohstoffkompaktierung, Erschmelzen und Gießen mit einer neuen und kombinierten Plasmastrahl-Kaltwandtiegel-Induktionsschmelztechnologie (Plasma-Arc-Melting / Cold-Wall-Induction) entwickelt werden. Dies beinhaltet auch die Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Legierung mit kornfeinenden Zusätzen an die Anforderungen der Luftfahrtindustrie.
Das neue Verfahren soll den direkten Einsatz von Gussmaterial als Schmiedevormaterial ermöglichen. Ausgangspunkt der hier vorgeschlagenen Innovation ist eine einstufige Schmelz- und Gießtechnik zur Herstellung von kleinskaligen Ti6Al4V-Ingots (Durchmesser ≤ 200 mm), die sich aufgrund ihres feinen Gussgefüges zum direkten Einsatz als Schmiedevormaterial eignen. Unter Einbeziehung einer geschlossenen Ti6Al4V-Recyclingroute kann zusätzlich die Material- und Ressourceneffizienz des Herstellungsprozesses deutlich erhöht werden. Hierbei stehen zum einen die Entwicklung einer Prozessroute für die Verwendung von Primärmaterial und Kreislaufmaterial, die Auslegung des Anlagenkonzepts, die Abstimmung des Kokillendesigns, die Zugabe von Kornfeinungsmittel und die Einstellbarkeit der Werkstoffmikrostruktur im Fokus.
Kurzbeschreibung
Innerhalb des Projektes ist HWH für die Herstellung der Miniingots im einstufigen Schmelzprozess und für die Auswahl, Definition und Umschmelzen des verfügbaren Kreislaufmaterials für das direkte Recycling zuständig. Dies umfasst die Definition der gesamten Prozessroute zur Verwendung von Primärmaterial und Kreislaufmaterial zur Herstellung von luftfahrtzertifizierten Halbzeugen mit den Projektpartnern. Dazu werden Konzepte zum Schmelzen und zum Aufbau der Recyclingroute für den Serieneinsatz zusammen mit den Projektpartnern erarbeitet. Nach Festlegung der Prozessroute erfolgt die Auslegung der einzelnen Anlagenkonzepte, insbesondere der Aufbau einer neuen Kaltwandinduktionskokille mit einem Durchmesser von ca. 200mm für die Herstellung der Miniingots. Zusätzlich erfolgt die Auslegung der Zuführung von stückigem Recyclingmaterial in den Schmelzofen. In der Konzeptphase HAP1 werden die ersten Miniingots auf einem bestehenden Kokillendesign mit einem Durchmesser von 120mm hergestellt. Dies umfasst die Auswahl der Rohstoffe, Einstellung der Gießparameter, um ein möglichst homogenes und feines Gefüge im Ingot zu erzeugen. Das Standardgussgefüge bei bestehenden Prozessrouten ist bei der Legierung Ti6Al4V sehr grob ausgeprägt. Durch den Einsatz der neuen SinglePAM Ofentechnologie mit induktiver Stranggusskokille und durch Kombination mit der Zugabe von Kornfeinungsmittel bei HWH kann das Gefüge signifikant beeinflusst werden, um die notwendige Homogenität und Korngröße im Gefüge einzustellen. In der Umsetzungsphase HAP2 werden die Erkenntnisse von HAP1 auf die industriell relevante Ingotgröße (ᴓ 200mm) übertragen. In AP2.1 werden vorerst Ingots aus Primärmaterial hergestellt. Zusätzlich erfolgt in AP2.5 die Implementierung der Zuführung für stückiges Recyclingmaterial. Das Recyclingmaterial entstammt aus den Schmiedeprozessen bei Otto Fuchs und wird durch HWH entsprechend gereinigt und aufbereitet, um es dem Prozess wieder zuzuführen. In AP2.6 erfolgt dann die Herstellung von Ingots aus Recyclingmaterial. In HAP4 erfolgt die Bewertung der neuen Fertigungsroute in Bezug auf die Energie/CO2- Bilanz und der Herstellkosten. In diese Bewertung soll auch ein speziell für diese Anwendungen erstelltes Anlagenkonzept einfließen.