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

Résumé

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

Date	16 juil. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) & Farhad Rézaï-Aria (Codirecteur(-trice))