Strain-induced γ'-coarsening during aging of Ni-base superalloys under uniaxial load : modeling and analysis

Titelangaben

Mushongera, Leslie T.:
Strain-induced γ'-coarsening during aging of Ni-base superalloys under uniaxial load : modeling and analysis.
Bayreuth , 2016 . - VI, 132 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Turbine blades which are used in the hot paths of aerospace or industrial gas turbines are usually manufactured as casted single crystalline parts. However, even though grain boundaries are excluded, the degradation behavior of respectively developed single crystal nickel-base superalloys, is still quite complex involving a number of very different microscopic effects. One of these is the diffusion-limited coarsening of the γ'-precipitates. Long-term aging or creep loading along the <100> crystallographic orientation results in the anisotropic coarsening of the γ'-precipitates. In the end, the microstructure contains quite large, irregularly shaped precipitates or plate-like precipitates aligned either parallel (P-type rafts) or perpendicular (N-type rafts) to the loading direction. This behavior is detrimental for the properties of these materials since their superior properties emanate from the size, morphology and distribution of the γ'-precipitates [R. Reed: Cambridge University Press, (2006)]. In order to efficiently design these materials, the phenomenon of coarsening should be known in detail to optimize the materials accurately. On this background, the general objective of this thesis is to develop an integrated computational approach for simulating morphological evolution in single crystal Ni-base superalloys. As a first step towards that aim, a multi-component phase field model coupled to inputs from CALPHAD-type and kinetic databases for the relevant driving forces was developed based on the grand-potential formalism similar to Plapp [Phys. Rev. E, 84: 031601 (2011)]. The thermodynamic formulation of the model was validated by comparisons to ThermoCalc equilibrium calculations and DICTRA sharp-interface simulations. Phase field approaches that allow for anisotropies of the interfacial energy sufficiently high so that the interface develops sharp corners due to missing crystallographic orientations were formulated. This called for a regularization that enforces local equilibrium at the corners, and the method of Eggelston et al. [Physica D 150, 91 (2001)], generalized to arbitrary crystal symmetries and rotations of the crystalline axes was adapted for that context. Mechanical effects accounting for the contributions from the misfit, anisotropic and inhomogeneous elasticity and creep loading were integrated physically consistent. The mechanical effects are incorporated into the phase field model via the Allen-Cahn equation based on Steinbach [Physica D, 217, 153 (2006)] and Fleck et. al [Philos. Mag., 90, 265 (2010)]. The relaxed displacement fields required to calculate the elastic driving force was obtained by solving the mechanical equilibrium using an iterative Jacobi relaxation scheme using a staggered grid based on the finite difference method. Morphological evolution and kinetics in single crystal Ni-base superalloys was studied. To gain insight in optimized alloying, a systematic computational measure to assess and track the evolution anisotropic microstructures was integrated in the model. Previously, focusing on the solidification behavior, Heckl et al. [Metal. and Mater. Trans. A, 41, 202 (2010)] discussed Ruthenium (Ru) as a possible Rhenium (Re) replacement-candidate for next generation Ni-based superalloys. Employing phase field simulation studies, we performed virtual experiments of the coarsening behavior in Re and Ru containing alloys. The simulations revealed that the degradation of the γ-γ' microstructure via coarsening is considerably slower in Re-containing superalloys. We observed that an increase in the Re content strongly reduces the γ'-coarsening kinetics and the simulations explicitly resolved the time dependence of that slow down beyond experiment. Likewise, it was found that Ru variations have no significant effect on the coarsening kinetics. The simulations revealed the mechanism by which Re reduces coarsening kinetics. The simulations showed that Re slows interface mobility by accumulating along the path of moving γ/γ'-interfaces, a behavior we attribute to its low diffusivity and low solubility in the γ-precipitate. The virtual experiments allowed for a systematic quantification of the relative contribution of each solute in a superalloy to coarsening. This can be understood as a first step toward a simulation-based design and optimization of alloy composition.

Abstract in weiterer Sprache

Turbinenschaufeln, die in heißen Regionen von Luft- und Raumfahrt oder in industriellen Gasturbinen benutzt werden, werden normalerweise als gegossene, einzelne kristalline Teile hergestellt. Allerdings ist das Abbauverhalten von den jeweils entstandenen Einzelkristall- Nickelbasis-Superlegierungen immer noch sehr komplex und beinhaltet eine Vielzahl von sehr verschiedenen mikroskopischen Effekten, selbst wenn Korngrenzen ausgeschlossen sind [R. Reed: Cambridge University Press, (2006)]. Einer dieser Effekte ist die diffusionsbegrenzte Vergröberung der γ'-Ausscheidungen. Langzeit-Alterung oder Kriechbelastung entlang der <100> kristallographischen Orientierung resultiert in der anisotropen Aufrauung der γ'-Ausscheidungen. Am Ende enthält die Mikrostruktur große, unregelmäßig geformte oder tellerartige Ausscheidungen, die entweder parallel (P-Typ Platten) oder senkrecht (N-Typ Platten) zur Belastungsrichtung ausgerichtet sind. Dieses Verhalten ist nachteilig für die Eigenschaften dieser Stoffe, da ihre vorrangigen Eigenschaften von der Größe, der Morphologie und der Verteilung der γ'-Ausscheidungen ausgehen. Um diese Stoffe effzient zu konzipieren und zu optimieren sollte das Phänomen der Vergröberung im Detail bekannt sein. Vor diesem Hintergrund ist das allgemeine Ziel dieser Arbeit, einen integrierten rechentechnischen Ansatz zu entwickeln, mit dem man die morphologische Evolution in Einzelkristall-Nickelbasis-Superlegierungen simulieren kann. In einem ersten Schritt, wurde dazu ein Multikomponenten-Phasenfeldmodell formuliert, welches einem groß-kanonischen Potential-Formalismus basierend auf dem binären Model von Plapp [Phys. Rev. E, 84: 031601 (2011)] folgt. Die dafür erforderliche Gesamtheit an thermodynamischen und kinetischen Inputdaten sind aus den kommerziell verfügbaren CALPHAD-Datenbanken TTNi8 und MobNi1 nach einer eigens für diesen Anlass entwickelten Schnittstelle gewonnen worden. Der thermodynamische Ansatz des Modells wurde durch Vergleiche zu ThermoCalc Gleichgewichtsberechnungen und zu DICTRA überprüft. Die mechanischen Effekte sind durch die Allen-Cahn Gleichung basierend auf Steinbach [Physica D, 217, 153 (2006)] und Fleck et al. [Philos. Mag., 90, 265 (2010)] in das Phasenfeldmodell integriert worden. Morphologische Entwicklung und Kinetik in Einzelkristall- Nickelbasis-Superlegierungen wurden untersucht. Um Einblicke in optimierte Legierungen zu erhalten, wurde ein systematisches, rechnerisches Maß in das Modell integriert, mit dem man die Entwicklung von anisotropen Mikrostrukturen beurteilen und verfolgen kann. Zuvor haben Heckl et al. [Metal. and Mater. Trans. A, 41, 202 (2010)], mit Fokus auf dem Erstarrungsverhalten, Ruthenium (Ru) als einen möglichen Kandidaten diskutiert, der Rhenium (Re) für die nächste Generation von Nickelbasis-Superlegierungen ersetzen könnte. Wir führten virtuelle Experimente des Vergröberungsverhaltens in Legierungen, die Re und Ru enthalten, durch, indem wir Phasenfeldsimulationen angewandt haben. Die Simulationen zeigten, dass die Zersetzung der γ-γ'- Mikrostruktur durch Vergröberung wesentlich langsamer in Superlegierungen ist, die Re enthalten. Wir beobachteten, dass ein Zuwachs des Re-Inhalts die γ'-Vergröberungskinetik stark reduziert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Re, als das am langsamsten diundierendes Element, das Fortschreiten der Grenzfläche, durch eine Akkumulation des Elementes vor der Phasengrenze ausbremst. Die Tatsache das Re in den Ausscheidungspartikeln nicht löslich ist sowie auch die niedrige Diffusivität können so den Vergröberungsprozess ausbremsen. Die Experimente erlaubten eine systematische Quantifizierung des relativen Beitrags jedes gelösten Stoffs in einer Superlegierung zu einer Vergröberung. Dies kann als der erste Schritt zu einem simulationsbasierten Design und der Optimierung von der Zusammensetzung von Legierungen.