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Evolution of microstructure and mechanical properties during linear friction welding of AD730 TM Ni-based superalloy

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Masoumi, Fatemeh (2018). Evolution of microstructure and mechanical properties during linear friction welding of AD730 TM Ni-based superalloy. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Linear friction welding (LFW) is an emerging manufacturing technology for joining of blades to disks or repairing turbine disks in gas turbines and jet engines. LFW has already been applied to Ti alloys for compressor (i.e. low temperature) operation applications but not to high temperature components. Thus, many challenges need to be addressed before full industrial application. Some of these challenges will be considered in this research. The focus of this study is to develop a better understanding of the fundamental mechanisms governing the evolution of the microstructure and high temperature mechanical properties of LFWed Ni-based superalloys in the case of a newly introduced alloy, AD730 TM.

LFW experiments were carried out using different processing parameters. A methodology was developed for determining the optimum LFW parameters for the investigated alloy. The method can be extended and applied to other metallic alloys too. This consisted in estimation of the oscillation, frequency, friction and forge force using material plastic flow stresses, data reported in the literature and machine capability. Friction time was estimated based on an analytical thermal model. It was determined that the LFWed specimens with axial shortening of 3.5 mm were sound and free from oxide layers and microcracks.

The Ni-based superalloy, AD730 TM, was solution treated at different temperatures. Semi-analytical model was developed to describe the dissolution processes of γ´ particles, and quantify their volume fraction. This model was used to predict temperature or γ´ volume fraction in different zones of LFWed sample. Reprecipitation mechanisms and kinetics of γ′ particles during cooling from supersolvus and subsolvus temperatures were studied. Then, kinetic model was proposed to quantify and predict the volume fraction of reprecipitated γ′ particles for high and low cooling rates representing the post weld cooling at different distances from the weld interface.

Microstructure investigation using Scanning Electron Microscopy (SEM) revealed that γ′ volume fraction and size increased with the distance from the weld interface. These particles were totally dissolved at the weld interface, and only a monomodal re-precipitated γ′ distribution, less than 10 nm in size, was observed at the weld interface of the as-welded specimens. Electron Backscatter Diffraction (EBSD) maps showed that dynamic recrystallization occurred in the weld zone during LFW in as-welded samples. Thermo-mechanically Affected Zone (TMAZ) and weld zone sizes were estimated using EBSD maps, and were confirmed with microhardness measurements.

Micohardness measurements on as-welded samples revealed a decrease in hardness in TMAZ due to dissolution of secondary γ′ particles, and an increase in hardness in the weld zone due to grain refinement.

Examination of the weld interface and the flash did not reveal any occurrence of liquation (formation of resolidified zones). A new analytical model was developed that predicts the conditions for the occurrence or absence of liquation during LFW of Ni-based superalloys. Using this model, a general explanation is proposed that is able to explain the contradictory data reported in the literature.

Post Weld Heat Treatment (PWHT), consisting of γ′ sub-solvus solution treatment followed by aging, was conducted on LFWed specimens. Microstructure evolution across the weld in the as-weld and PWHT conditions were studied using optical microscopy, SEM and EBSD. Mechanical properties of the LFWed specimens were evaluated using microhardness, tensile at room temperature and 650°C, as well as creep tests.

Tensile tests on as-welded samples at 650°C revealed failure at Heat Affected Zone (HAZ) due to dissolution of γ′ precipitates. PWHTed joints showed higher tension and creep resistance than those of as-welded samples due to a combination of reprecipitation of γ′ precipitates at TMAZ and HAZ as well as grain growth at the weld zone. After PWHT, LFWed specimens failed in the base material under tensile tests. The PWHTed joints exhibited better ductility than those of base material at 850°C while they showed slightly lower creep life at 700°C in comparison to the base metal. Microstructure examination showed that cracks initiated at the interface of oxidized particles at 700°C. The decrease in creep resistance of AD730TM Ni-based superalloy at 850°C was related to a combination of the formation of Precipitate Free Zones (PFZ) in the vicinity of the grain boundaries (GBs) and microcracking assisted by oxidation. In addition, it was found that in the investigated temperature range, the PWHTed AD730TM had similar creep characteristics to UdimetTM720 Li and Inconel 738LC at low values of Larson Miller Parameter (LMP) and better creep properties than those of Inconel 617 alloy at higher LMP values.

Titre traduit

Évolution de la microstructure et des proprietés mécaniques durant le soudage par friction linéaire du super alliage base nickel AD730 TM

Résumé traduit

Le soudage par friction linéaire (LFW) est une technologie de fabrication émergente d’une part pour l'assemblage des aubes aux disques et d’autre part pour la réparation des disques de turbine (Blisks) dans les turbines à gaz et des moteurs à réaction. Ce type de soudage a déjà été appliqué à des alliages de Ti pour des applications de fonctionnement de compresseur (c'est-à-dire à basse température) mais pas à des composants à haute température. Ainsi, de nombreux défis devaient être résolus avant une application industrielle complète. Certains de ces défis ont été pris en compte dans cette recherche. L'objectif de cette étude a été de développer, pour ce type de soudage, une meilleure compréhension des mécanismes fondamentaux régissant l'évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques à haute température des superalliages base nickel et particulièrement dans le cas d'un alliage nouvellement introduit, AD730 TM.

Les expériences LFW ont été réalisées en utilisant différents paramètres de procédé. Une méthodologie a été développée pour déterminer les paramètres optimaux pour l'alliage étudié. Cette méthode peut être appliquée à d'autres alliages métalliques. Cela a consisté à estimer l'oscillation, la fréquence, le frottement et la force de forge en utilisant des contraintes plastique d'écoulement de matière, des données rapportées dans la littérature et la capacité de la machine. Le temps de frottement a été estimé sur la base d'un modèle analytique de distribution de température. Il a été déterminé que les échantillons obtenus, par ce type de soudage, avec un raccourcissement axial de 3.5 mm étaient exempts de défauts tels que couches d'oxyde ou microfissures.

Ce superalliage base nickel, AD730 TM, a subi des traitements de mises en solution à différentes températures. Dans le but de décrire les processus de dissolution des particules γ' et de quantifier leur fraction volumique des modèles semi-analytique ont été développés. Ces modèles ont été utilisés pour prédire la température ou la fraction volumique du γ' dans différentes zones de l'échantillon soudé par cette technique. Les mécanismes de reprécipitation et la cinétique de reprécipitation des particules γ' pendant le refroidissement des régions super-solvus et sub-solvus ont été étudiés. Suite à cela, un modèle cinétique a été proposé pour quantifier et prédire la fraction volumique de particules γ' reprécipitées à des vitesses de refroidissement élevées et faibles, représentant le refroidissement post-soudure à différentes distances de l'interface de soudure.

L'étude de la microstructure à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé que la fraction volumique et la taille de γ' augmentaient avec la distance de l'interface de la soudure. Ces particules ont été totalement dissoutes à l'interface de la soudure, et seule une distribution de re-précipitée γ′ monomodale re-précipitée, de taille inférieure à 10 nm, a été observée à l'interface de soudure. Les cartes de diffraction par électron rétrodiffusé (EBSD) ont montré que la recristallisation discontinue se produisait dans la zone de soudure La taille des zones affectées thermo-mécaniquement (TMAZ) et des zones de soudure a été estimée en utilisant des cartes EBSD, et confirmée par des mesures de microdureté.

Des mesures de mico-dureté sur des échantillons soudés ont révélé une diminution de la dureté dans les zones affectées thermo-mécaniquement due à la dissolution des particules γ' secondaires et une augmentation de la dureté dans la zone de soudure due au raffinement du grain.

L'examen de l'interface de soudure et de la matière extrude à l’interface n'a révélé aucun phénomène de liquéfaction (formation de zones resolidifiées). Un nouveau modèle analytique a été développé ; celui-ci prédit les conditions de l'apparition ou de l'absence de la liquéfaction durant le soudage par LFW des superalliages base nickel. Une explication générale est proposée à l’aide de ce modèle qui est capable d'expliquer les données contradictoires rapportées dans la littérature.

Un traitement thermique post-soudage (PWHT), consistant en un traitement en solution subsolvus γ' suivi d'un vieillissement, a été réalisé sur des éprouvettes soudées par la technique LFW. L'évolution de la microstructure à travers la soudure dans les conditions de soudure et de PWHT a été étudiée en utilisant la microscopie optique et électronique (MEB et EBSD). Les propriétés mécaniques des éprouvettes ont été évaluées en utilisant la microdureté, la traction à température ambiante et à 650°C, ainsi que des tests de fluage.

Des essais de traction 650°C sur des échantillons soudés ont révélé une rupture dans la zone affectée thermiquement (ZAT) en raison de la dissolution des précipités γ'. Les joints ayant subis un traitement thermique post-soudage présentaient une résistance à la traction et au fluage plus élevées que celles des échantillons soudés du fait de la re-précipitation des précipités γ' dans les zones TMAZ et ZAT ; ainsi qu’une croissance des grains dans la zone de soudure. Après le traitement thermique post-soudage (PWHT), les échantillons soudés par la technique LFW ont rompu dans le matériau de base lors des essais de traction. Les joints PWHT présentaient, d’une part une meilleure ductilité, que ceux du matériau de base, à 850°C et d’autre part, une durée de fluage légèrement inférieure à 700°C en comparaison avec le métal de base. L'examen de la microstructure a montré que des fissures étaient initiées à l'interface des particules oxydées à 700°C. La diminution de la résistance au fluage du superalliage AD730TM à 850°C était liée à la combinaison de la formation de zones exemptes de précipités (PFZ) au voisinage des joints de grains (GB) et de microfissuration assistée par oxydation. En outre, il a été trouvé que dans l'intervalle de température étudié, l'AD730TM PWHT avait des caractéristiques de fluage similaires à UdimetTM720 Li et Inconel 738LC pour des faibles valeurs des paramètres de Larson-Miller (LMP) et de meilleures proprieties de fluage que celles de l'alliage Inconel 617 pour des grandes valeurs de LMP.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the requirements for the degree of doctor of philosophy." Comprend des références bibliographiques (pages 225-228).
Mots-clés libres: soudage friction linéaire, superalliage à base de Ni, AD730 TM, cinétique de dissolution et de re-précipitation, température de liquéfaction, mécanismes de liquéfaction, propriétés mécaniques à hautes temperatures, mécanismes de fluage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Jahazi, Mohammad
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 26 nov. 2018 15:35
Dernière modification: 26 nov. 2018 15:35
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2164

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