Linear friction welding of AD730™ Ni-based superalloy to additively manufactured Inconel 718

Tabaie, Seyedmohammad (2021). Linear friction welding of AD730™ Ni-based superalloy to additively manufactured Inconel 718. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Linear friction welding (LFW) is an emerging solid-state welding technology for joining of blades to disks (blisks) or repairing turbine disks in gas turbines and air engines. In recent years, LFW has also been applied to the assembly of components made of Nickel (Ni)-based superalloys, as well as in many other engineering applications, ranging from automotive to agriculture, and allowing for new designs and applications. The LFW process is well suited for joining dissimilar alloys as they do not suffer from weld shrinkage and cracking which are very common in fusion-based techniques. On the other hand, Selective laser melting (SLM) as a laser powder bed fusion (LPBF) method is being developed as an economically viable technology for fabricating Ni-based superalloys with the complex geometries in aerospace industries and also as an advanced technique for component repair. Gas turbine blades are known for their complex geometries and high time to market delay. The additive layer manufacturing can reduce drastically the time to market.

The focus of this PhD work was to study the suitability of the LFW process to join two superalloys fabricated with two different methods: SLMed Inconel 718 (IN718) superalloy and the newly introduced forged AD730TM Ni-based superalloy. Each alloy had individual initial and final microstructures which had to be understood. Thus, many challenges and questions needed to be addressed. Some of these challenges will be considered in this PhD research. The focus of this study is to have a better understanding of the evolution of the microstructure and mechanical properties of LFWed AD730TM to SLM IN718.

LFW experiments were carried out using a model from literature based on 1D heat transfer simulation, which was developed and adapted in this work for the dissimilar welding. A methodology was adapted to determine the LFW parameters for achieving an acceptable joint with free defects for the investigated alloys. The method can be extended and applied to other metallic as well. The method consisted in estimation of friction and forge forces by using the plastic flow stresses and data reported in the literature as well as the capability of LFW machine. Friction time was estimated based on an analytical thermal model for both alloys and their mechanical properties at high temperatures. It was determined that the LFWed specimens with axial shortening more than 2 mm and optimum to 3.5 mm were free from oxides and microcracks.

Hot ductility of the forged polycrystalline Ni-based superalloy, AD730TM was investigated in the temperature interval 1050–1240 °C. The nil strength (NST) and nil ductility temperatures (NDT) were determined by hot tensile testing using the GleebleTM 3800 known a convenient method for weld thermal simulations. The tests plan and designing the mechanical tests had been done by other CM2P members. The influence of heating rate, representing the LFW thermal cycle, on hot ductility behavior of the alloy was also studied. The microstructure and the fracture mode of samples were examined. The influence of heating rate on the extent of grain boundary liquation and void formation was determined. It was shown that the significant ductility loss near the NDT point could be related to the reduction of surface tension at interface of the grain boundary and the matrix. In addition, the contribution of hard precipitates (e.g., grain boundary MC carbides), voids, and cavities on damage mechanisms responsible for ductility loss was discussed.

The influence of high heating rates on the evolution of the secondary phases in the microstructure of SLM IN718 was investigated. The microstructural characterizations using Scanning Electron Microscopy (SEM) revealed different regions in the heat-affected zone (HAZ) of the welded additively manufactured specimens. A combination of thermal analysis by DTA and dilatometry was used to show the precipitation and dissolution of the secondary phases and microstructural features. The dissolution of γ" and δ phases were delayed under high heating rates and shifted to higher temperatures. The Laves phase at the interdendritic regions was decomposed in specific zones near the surface of the sample. A possible mechanism based on the influence of heating rate on Nb diffusion in the interdendritic regions and core of the dendrites was proposed to interpret the observed changes in the microstructure.

Microscopic analysis and XCT-Scan image showed successful joints free of micro-porosity, micro-cracking, and oxide layers. The microstructures variations were also evaluated, particularly in terms of grain size and misorientation changes. Dynamic recrystallization (DRX) occurred on both sides of the dissimilar weld line, and it was found that Discontinuous DRX (DDRX) and Continuous DRX (CDRX) recrystallization took place in the weld zone (WZ) and in the thermomechanical-affected zone (TMAZ), respectively. A clear change in the size and local grain misorientations levels were related to a greater degree of strain-induced in a homogenized sample and the increasing and the effect of the solid solution strengthening mechanisms caused by a partial dissolution of the second phase strengthening particles in the matrix.

The SEM observations and EBSD maps showed that dynamic recrystallization occurred in the weld zone during hybrid LFW in samples in as-welded condition on both sides. Close to the weld line, the dissolution of γ'/γ" and Laves phases and grain refinement occurred which reveals the combined effects of both compressions loading and high temperature on recrystallization on drastic diffusion of chemical elements in the WZ. It is shown that the size, volume fraction, and shape of secondary phases increased and changed from the WZ to the base metal (BM). The measured microhardness, in the WZ, indicated that the strength of AD730TM alloy depends significantly on the grain size and also possibly on ultrafine precipitates. The strength in SLM IN718 was dominated by the shape (or size) and the presence of secondary phases.

A post-weld heat treatment (PWHT) cycle was performed on dissimilar LFWed samples. The microstructure and hardness of the joint after the PWHT were studied and compared to those of LFWed samples. The precipitation hardening mechanism of γ' + γ" is the main mechanism used to increase the mechanical properties of SLM IN718 alloy. These particles coarsened during heat treatment at 980 °C and double aging. The thermomechanical history of LFWed joints can affect the microstructure of IN718 alloy such as morphology of δ phase after solution treatment (ST) from the plate-like in the weld zone (WZ) to the needle-like in the base material (BM). It was found that in AD730TM, nanometric size γ' particles re-precipitated close to the weld line during rapid cooling after welding was completed. The developed PWHT could homogenize the hardness on both alloys and all welding zones. The maximum hardness difference between each zone was 15-20 Vickers for the WZ and the BM. The maximum hardness difference between two alloys was 19 Vickers which means the PWHT, in two steps, could provide a better homogeneity for a dissimilar joint than one-step heat treatment which has been used in literature.

Titre traduit

Soudage par friction linéaire du superalliage base nickel AD730™ à Inconel 718 fabriqué de manière additive

Résumé traduit

Le soudage friction linéaire (LFW) est une technologie émergente de soudage à l'état solide pour l’assemblage des pièces métalliques comme par exemple des aubes à des disques (blisks) des turbines à gaz ou la réparation de disques de turbine. Ces dernières années, LFW a été également appliqué à l'assemblage de composants des superalliages à base de nickel (Ni), ainsi que des nombreuses autres applications d'ingénierie, allant de l'automobile à l'agriculture, et permettant de nombreuses autres applications industrielles allant de l'automobile à l'agriculture permettant de nouvelles conceptions, applications ou extension de durée de vie des pièces. Le procédé LFW est bien adapté pour assembler différents alliages puisque le soudage s’effectue à l’état solide évitant la contraction de la soudure ou la fissuration qui très couramment rencontrés dans les techniques de soudage basées sur la fusion de matériaux. D'autre part, la fusion sélective par laser (SLM) de lit de poudres (LPBF), est une technologie avancée économiquement viable pour la fabrication des pièces en superalliages à base de Ni ayant des géométries complexes pour les industries aéronautique, aérospatiale et production d’énergie.

L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier l'aptitude du procédé LFW à assembler deux superalliages produits par le forgeage et la fabrication additive, soit Inconel 718 (IN718) -SLM au superalliage à base de Ni AD730TM récemment produit par Auber et Duva. Chaque alliage avait ses propres microstructures initiales et finales qui devaient être étudiés. Ainsi, de nombreux défis et questions techniques et scientifiques devaient être abordés avant l’application industrielle avec la fiabilité accrue de LFW de matériaux différents. Certains de ces défis seront pris en compte dans ce travail de recherche. L'objectif de ces travaux est d'avoir une meilleure compréhension de l'évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques du LFWed AD730TM au SLM IN718.

Les essais LFW ont été réalisés à l'aide d'un modèle prédictif de faisabilité de soudage fourni par la littérature. Il est basé sur une simulation thermique 1D qui a été développée pour le soudage dissemblable. Une méthodologie a été envisagée pour déterminer les paramètres LFW afin d'obtenir un joint complet sans défaut (tout au moins acceptable) pour les alliages utilisés. Ce procédé peut également être étendu et appliqué à d'autres alliages métalliques. Il s’agit à estimer les forces de frottement et de forge à l'aide des contraintes d'écoulement du matériau plastique, des données rapportées dans la littérature et de la capacité de la machine de soudage employé. Le temps de frottement a été estimé sur la base d'un modèle thermique analytique pour les deux alliages en tenant compte de leurs propriétés mécaniques à haute température. Il a été déterminé que les échantillons LFWed avec un raccourcissement axial de plus de 2 mm et une valeur optimum à 3.5 mm peuvent être soudés qui sont exempte d'oxydes et de microfissures.

La ductilité à chaud du superalliage polycristallin et forgé à base de Ni, AD730TM, a été étudiée dans l'intervalle de température de 1050 à 1240 °C. Les températures de résistance nulle (NST) et de ductilité nulle (NDT) ont été déterminées par des essais de traction à chaud en utilisant le simulateur thermomécanique GleebleTM 3800. L'influence de la vitesse de chauffe, représentant le cycle thermique LFW, sur la ductilité à chaud des alliages a également été étudiée. La microstructure et le mode de rupture des échantillons ont été examinés. L'influence de la vitesse de chauffage sur l'étendue de la liquation de la limite des grains et de la formation des cavités a été déterminée. Il été montré que la perte significative de la ductilité près du point NDT peut être reliée à la réduction de la tension superficielle de l'interface entre les grains et la matrice. De plus, la contribution des mécanismes d'endommagement responsables de la perte de ductilité tels que les précipités durs (par exemple, les carbures MC aux limites des grains), les vides et les cavités a été discutée.

L'influence de la vitesse élevée de chauffage sur l'évolution des phases secondaires précipités dans la microstructure du SLM IN718 a été étudiée. La caractérisation microstructurale a été faite à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) dans depuis la ligne de soudage (zones affectées thermiquement et mécaniquement) des échantillons soudés. Une combinaison d'analyse thermique par DTA et dilatomètre a été utilisée pour étudier de la précipitation et la dissolution des phases secondaires influençant les caractéristiques microstructurales et propriétés mécaniques. La dissolution des phases γ" et δ a été retardée lors que la vitesse de chauffage devient très élevée et décalée vers des températures de plus élevées. La phase de Laves dans les régions inter-dendritiques a été décomposée en zones spécifiques proche de la surface de l'échantillon. Un mécanisme basé sur l'influence de la vitesse de chauffage sur la diffusion de Nb dans les régions inter-dendritiques et aux coeurs des dendrites, a été proposé pour interpréter les changements microstructuraux observés.

Les analyses microscopiques par MEB et l'image XCT Scan ont montré que des joints soudés sont exempte des micro-porosités, micro-fissures et couches d'oxyde ont été obtenues. Les variations de microstructures ont été également évaluées, notamment en termes de taille de grain, et changements de désorientation ont été déterminés. La recristallisation dynamique (DRX) qui s'est produite dans des deux côtés de la ligne de soudure dissemblable et il a été constaté que DRX discontinu (DDRX) et DRX continus (CDRX) ont eu lieu dans la zone de soudure (ZW) et dans la zone thermomécanique affectée (TMAZ), respectivement. Le changement clair dans la taille et l’orientation des grains sont liés à la sévérité élevée de déformation plastique cumulé cycliquement dans un échantillon soudé qui a subit un traitement thermique d’homogénéisation et à l'effet croissant du mécanisme de renforcement de la solution solide causé par une dissolution partielle des particules de renforcement de deuxième phase dans la matrice.

Les observations au MEB et les cartes EBSD ont montré que la recristallisation dynamique s'est produite dans la zone de soudure pendant le LFW hybride dans l'échantillon soudé des deux alliages soudés. Près de la ligne de soudure, la dissolution des phases γ'/ γ" et Laves et le raffinement du grain se sont produits, ce qui révèle à la fois les effets de la déformation de compression et de la température élevée sur la recristallisation et le degré élevé de diffusion des éléments chimiques dans la ZW. Il est montré que la taille, la fraction volumique et la forme des phases secondaires ont augmenté et changé de la ZW au métal de base (BM). La microdureté mesurée, dans la ZW, a indiqué que la résistance de l'alliage AD730TM dépend significativement de la taille des grains et éventuellement des précipités ultrafins, tandis que la résistance du SLM IN718 était dominée par la forme (ou la taille) et la présence de phases secondaires.

Un cycle de traitement thermique post-soudage (PWHT) a été réalisé sur des échantillons LFWed dissemblables. La microstructure et la dureté du joint après le PWHT ont été étudiées et comparées à celles des échantillons LFWed. Le mécanisme de durcissement par précipitation de γ'+γ" est le principal mécanisme utilisé pour augmenter les propriétés mécaniques de l'alliage SLM IN718. Ces particules ont grossi lors d'un traitement thermique à 980 °C et d'un double vieillissement. L'histoire thermomécanique des joints LFWed peut affecter la microstructure de l'alliage IN718 tel que la morphologie de la phase δ après traitement en solution (ST) du type plaque dans la zone de soudure (WZ) au type aiguille dans le matériau de base (BM). Il a été constaté que dans l'AD730TM, des particules de taille nanométrique γ' re-précipitaient près de la ligne de soudure pendant un refroidissement rapide après la fin du soudage. Le PWHT développé pourrait homogénéiser la dureté sur les deux alliages et toutes les zones de soudage. La différence de dureté maximale entre chaque zone était de 15 à 20 Vickers pour le WZ et le BM. La différence de dureté maximale entre les deux alliages était de 19 Vickers, ce qui signifie que le PWHT, en deux étapes, pourrait fournir une meilleure homogénéité pour un joint

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 degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 235-266).
Mots-clés libres:	soudage friction linéaire, fabrication additive, fusion sélective laser, superalliage base Ni, AD730TM, Inconel 718, ductilité nulle et températures de résistance nulles, dissolution des phases, re-précipitation, mécanismes de liquidation, la diffusion, analyse par EBSD, recristallisation dynamique, désorientation, renforcement des mécanismes, traitement thermique après soudage
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Rézaï-Aria, Farhad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 sept. 2021 19:15
Dernière modification:	24 sept. 2021 19:15
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2758

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