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Theses Year : 2020

Effect of a Prior Plastic Deformation during Heat Treatments on the Mechanical Properties of Ni-Based Superalloys for Turbine Blade Application

Effet d'une pré-déformation plastique au cours des traitements thermiques sur les propriétés mécaniques des superalliages base Ni pour l'application d'aubes de turbine

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Satoshi Utada

Abstract

Ni-based single crystal (SX) superalloys are used for turbine blade applications because of their high-temperature durability. During the production of a turbine blade, unexpected plastic deformation (PD) can be introduced to the material. In this study, SX materials were pre-deformed in between solution and aging heat treatments to mimic PD during production. Mechanical tests on the pre-deformed materials have been performed to understand the effect of the prior PD.During aging treatments of pre-deformed AM1 SX superalloy, faster coarsening of γ′ precipitates and enhanced void nucleation were observed in the vicinity of slip bands which were introduced by PD at room-temperature. During creep deformation of pre-deformed AM1 at high temperature/low stress conditions (≥ 950 °C), the microstructure coarsened bands act as diffusion induced creep damage accumulating paths, further triggering recrystallization and resulting in drastic reduction of creep properties. At low temperature/high stress conditions (≤ 850 °C), microstructure shearing was facilitated in the microstructure coarsened band and it decreased creep properties. Recrystallization was not observed at lower temperature creep because the diffusion damage was suppressed. These relationships have been explained by creep tests on pre-deformed materials prepared by different pre-deformation temperatures and heat treatment procedures.CMSX-4 Plus SX superalloy was tested similarly to AM1 to understand the effect of the chemical composition. Effect of pre-deformation on alloy’s microstructure was mild in CMSX-4 Plus compared to that in AM1. Therefore, the predeformation did no exhibit large creep life debit in CMSX-4 Plus at temperatures lower than 1050 °C. However, during creep of CMSX-4 Plus at 1150 °C, pre-deformation presented huge impact on creep life and ductility by the same mechanisms as the ones observed for AM1 at 1050 °C.In order to restore properties of pre-deformed SX superalloys, rejuvenation heat treatment was added after PD.Rejuvenation treatment successfully restored microstructure after PD at room-temperature, and creep properties of rejuvenated specimens were shown to be equivalent to that of original AM1 and CMSX-4 Plus without PD
Les superalliages monocristallins base Ni sont utilisés pour la conception des aubes de turbines en raison de leur excellente durabilité à haute température. Lors de la production d'une aube de turbine, une déformation plastique (DP)inattendue peut être introduite dans le matériau. Dans cette étude, les matériaux monocristallins ont été pré-déformés entre les traitements thermiques de mise en solution et de revenu pour simuler la DP pouvant être rencontrée lors des étapes de production. Des tests mécaniques sur les matériaux pré-déformés ont été effectués pour comprendre l'effet de cette DP.Au cours des traitements thermiques de revenu du superalliage monocristallin AM1 pré-déformé, un grossissement des précipités γ′ plus rapide et une nucléation accélérée de pores ont été observés à proximité des bandes de glissement introduites lors de la DP à température ambiante. Au cours de la déformation par fluage de l’AM1 pré-déformé dans des conditions de haute température/basse contrainte (≥ 950 °C), les bandes à microstructure grossière sont des sites préférentiels d’accumulation du dommage de fluage induit par diffusion, induisant de la recristallisation et une réduction drastique des propriétés de fluage. Dans des conditions de basse température/haute contrainte (≤ 850 °C), le cisaillement de la microstructure est facilité dans les bandes à microstructure grossière et il réduit également les propriétés de fluage.La recristallisation n'est pas été observée dans des ces conditions de fluage à basse température car les mécanismes diffusifs sont ralentis. Ces résultats ont été confirmés via des essais de fluage sur des matériaux pré-déformés suivant différent chemin de pré-déformation (température, position de la DP dans le cycle thermique…). Le superalliage monocristallin CMSX-4 Plus a été testé de manière similaire à l'AM1 pour comprendre l'effet de la composition chimique. L'effet de la DP sur la microstructure de l'alliage est plus limité pour cet alliage par rapport à celui sur l’AM1. Par conséquent, la pré-déformation n'a pas montré de chute de la durée de vie pour le CMSX-4 Plus à des températures inférieures à 1050 °C. Par contre, pendant le fluage de CMSX-4 Plus à 1150 °C, la pré-déformation a montré un impact spectaculaire sur la durée de vie et la ductilité via les mêmes mécanismes que ceux observés pourl’AM1 à 1050 °C.Afin de régénérer les propriétés des superalliages monocristallins pré-déformés, un traitement thermique de restauration a été ajouté après la DP. Le traitement de restauration a permis de restaurer la microstructure après la DP à température ambiante avec succès, et les propriétés de fluage des matériaux restaurés sont équivalentes à celles de l'AM1 et duCMSX-4 Plus vierges de pré-déformation.
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tel-03166502 , version 1 (11-03-2021)

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  • HAL Id : tel-03166502 , version 1

Cite

Satoshi Utada. Effect of a Prior Plastic Deformation during Heat Treatments on the Mechanical Properties of Ni-Based Superalloys for Turbine Blade Application. Other. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2020. English. ⟨NNT : 2020ESMA0019⟩. ⟨tel-03166502⟩
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