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

Résumé

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.

Date	17 juil. 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice))