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.