Titan ist in der Luftfahrt nicht ersetzbar. Doch wer die Legierung Ti-6Al-4V industriell umformen will, stößt schnell an Grenzen: hohe Temperaturen, langsame Taktzeiten, teure Spezialwerkzeuge. Forschern des AIT Austrian Institute of Technology in Ranshofen ist es nun gelungen, genau diese Hürden mit einem neuartigen Heißtiefziehverfahren zu überwinden - und das bei Temperaturen, die bisher niemand für ausreichend gehalten hätte.
Das Problem: Titan lässt sich nicht einfach formen
Titan ist in der Luftfahrtindustrie unverzichtbar, da es aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften - hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, geringe Dichte - nicht durch andere, energieeffizienter herstellbare Materialien ersetzt werden kann. Doch genau diese Stärken machen die Verarbeitung schwierig.
Die Verarbeitung von Titan, insbesondere der weit verbreiteten α-β-Titanlegierung Ti-6Al-4V, ist äußerst anspruchsvoll. Herkömmliche Umformungsverfahren sind energieintensiv und komplex. Das etablierte Verfahren der Wahl ist das sogenannte Superplastische Umformen (SPF): Dabei werden sehr hohe Temperaturen von etwa 840 bis 930 °C und recht niedrige Umformgeschwindigkeiten benötigt.
Das hat zwei handfeste Nachteile. Erstens: Bei langer Exposition unter diesen hohen Temperaturen an der Luft kann sich eine spröde, sauerstoffreiche Schicht - der sogenannte Alpha Case - bilden, die anschließend aufwendig entfernt werden muss. Zweitens: Für Temperaturen über 600 oder 700 °C sind teure Nickelbasislegierungen als Umformwerkzeuge erforderlich. Beides treibt Kosten und Fertigungszeit in die Höhe.
Alpha Case ist eine sauerstoffreiche, spröde Randschicht, die sich an Titanbauteilen bei langer Hochtemperaturexposition an der Luft bildet. Sie muss vor dem Einsatz des Bauteils mechanisch oder chemisch entfernt werden – ein zeit- und kostenintensiver Zusatzschritt.
Die Lösung aus Ranshofen: Tiefziehen unter 500 °C
Das LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen - eine Tochtergesellschaft des AIT - hat im Rahmen des COMET-Projekts ProMetHeus, Teilprojekt "Titania", einen anderen Weg eingeschlagen. Am LKR wurde ein neuartiges Heißtiefziehverfahren entwickelt, das zeigt, dass α-β-Titanbleche bei Temperaturen unter 500 °C ausgezeichnet tiefziehfähig sind. Das ist für die Praxis ein entscheidender Hebel: Bei diesen Temperaturen können herkömmliche Warmarbeitsstähle als Umformwerkzeuge eingesetzt werden - anstelle der teuren Nickelbasislegierungen, die sonst für deutlich höhere Prozesstemperaturen erforderlich wären.
Der Prozess funktioniert dabei nicht isotherm: Da eine isotherme Umformung bei 500 °C oder darunter nicht erfolgreich ist, setzt das Verfahren auf eine Vorwärmung des Blechs unterhalb der SPF-Temperatur und die anschließende Umformung in der Presse. Das klingt nach einem Detail, ist aber entscheidend - denn genau diese Kombination ermöglicht die niedrigere Prozesstemperatur und damit den Einsatz günstigerer Werkzeugwerkstoffe.
Photo: Shavr IK / UnsplashWas das Verfahren in der Praxis leistet
Die Leistungsfähigkeit des neuen Verfahrens ist nicht nur theoretisch belegt. Erste Versuche mit einem speziell entwickelten Warmarbeitsstahl-Werkzeug führten 2022 zur erfolgreichen Umformung eines Testbauteils mit einer Tiefe von 44 mm. Das war der Startschuss für die Patentanmeldung.
Aufgrund dieser vielversprechenden Ergebnisse meldete das 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 Ziehtiefe von 68,5 mm erreicht wurde - die maximale Tiefe des Testwerkzeugs.
Durch Optimierungen im Projekt ProMetHeus-Titania wurde eine Ziehtiefe von 68,5 mm erreicht - die maximale Tiefe des eingesetzten Testwerkzeugs.
Gleichzeitig verbesserten sich auch die Bauteileigenschaften: Eine Bruchdehnung von über zehn Prozent wurde ohne zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Tiefziehprozess erreicht. Das ist ein wichtiger Hinweis darauf, dass das Material durch den Prozess nicht geschädigt wird.
An der Bauteiloberfläche zeigt sich keine spröde Alpha-Case-Schicht. Dies wird mit der vergleichsweise kurzen Hochtemperaturexposition in Zusammenhang gebracht. Damit entfällt der aufwendige Nachbearbeitungsschritt, der beim SPF-Verfahren standardmäßig anfällt.
Und noch ein weiterer Vorteil zeichnet sich ab: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mehrstufige Umformprozesse künftig ohne Zwischenwärmebehandlung möglich sind - erste zweistufige Versuche waren bereits erfolgreich.
Reproduzierbarkeit und Industriepartner
Ein Forschungsergebnis ist nur so gut wie seine Reproduzierbarkeit. Tests mit Ti6Al4V-Blechen unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit - bereitgestellt durch den Industriepartner voestalpine Böhler Bleche - zeigten eine hervorragende Reproduzierbarkeit des Umformergebnisses. Das ist ein wichtiges Signal für die spätere Serientauglichkeit: Das Verfahren funktioniert nicht nur unter Laborbedingungen mit idealen Blechen, sondern auch mit praxisnahen Materialvarianten.
Warum das für die Industrie relevant ist
Der wesentliche Vorteil gegenüber etablierten Verfahren liegt in den dramatisch verkürzten Umformzeiten, die deutlich schnellere Taktzeiten und damit eine wesentlich höhere Produktivität ermöglichen. In einer Branche, in der Fertigungskosten und Durchlaufzeiten direkt die Wettbewerbsfähigkeit bestimmen, ist das kein marginaler Fortschritt.
Die Methode erspart teure Nickelbasislegierungen, die für Temperaturen von mehr als 600 oder 700 Grad erforderlich sind. Dies reduziert die Gesamtkosten und ebnet den Weg für eine industrielle Anwendung.
Hinzu kommt der Nachhaltigkeitsaspekt: Die Luftfahrtindustrie steht im Rahmen des Green Deals vor großen Herausforderungen; neben der Reduktion von CO₂-Emissionen muss die Branche umweltfreundlichere Produktionstechnologien entwickeln. Ein Verfahren, das weniger Energie verbraucht, günstigere Werkzeuge erlaubt und Nachbearbeitungsschritte einspart, passt direkt in diese Agenda.
Das neue Heißtiefziehverfahren des AIT arbeitet bei Temperaturen unter 500 °C - gegenüber 840 bis 930 °C beim konventionellen Superplastischen Umformen von Ti-6Al-4V.
Patentschutz und nächste Schritte
Für das Verfahren wurde bereits ein österreichisches Patent erteilt, eine internationale Patentanmeldung läuft. Damit ist die Innovation auch strategisch abgesichert - als Grundlage, um die Titanumformung bei moderaten Temperaturen ressourcenschonend in Richtung industrieller Anwendung weiter zu etablieren.
Das LKR Ranshofen hat für das neue Heißtiefziehverfahren ein österreichisches Patent erhalten; eine internationale PCT-Patentanmeldung ist eingereicht.
Das Projekt ProMetHeus bündelt dabei eine breite Allianz: Zu den Projektpartnern zählen neben dem LKR und dem AIT unter anderem die Montanuniversität Leoben, voestalpine BÖHLER Bleche sowie voestalpine Metal Forming. Die Einbindung von Industriepartnern von Beginn an ist kein Zufall - sie soll sicherstellen, dass der Weg von der Forschung in die Serienproduktion so kurz wie möglich bleibt.
Einordnung: Was bleibt zu tun?
Das Verfahren hat seine Leistungsfähigkeit an Testbauteilen eindrucksvoll unter Beweis gestellt. Die nächste Frage ist, wie sich die Ergebnisse auf komplexere Geometrien und größere Blechformate übertragen lassen. Auch die Frage der Skalierung - von der Laborpresse zur Industrieanlage - ist noch offen.
Dennoch: Was das LKR Ranshofen hier vorgelegt hat, ist mehr als ein akademischer Proof of Concept. Es ist ein Verfahren mit konkreten Kennzahlen, einem erteilten Patent und einem Industriepartner, der die Materialversorgung bereits sichergestellt hat. Für Fertigungsunternehmen in der Luft- und Raumfahrt, die unter Kostendruck stehen und gleichzeitig grüner werden müssen, dürfte das ein Thema sein, das sie genau im Auge behalten sollten.
