Publication: In situ analysis of the high temperature deformation and fracture mechanisms of a γ-TiAl alloy
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Publication date
2014-05
Defense date
2014-05-05
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Abstract
Gamma titanium aluminides are intermetallic alloys with great potential for aerospace applications in low pressure turbines (LPT) because they can provide increased thrust-to-weight ratios and improved efficiency under aggressive environments at temperatures up to 750 °C. Due to that, γ-TiAl alloys are projected to replace the heavier Ni-base superalloys currently used for LPT blades manufacturing.
The objective of this research work is to study the deformation and fracture mechanisms of a γ-TiAl alloy, Ti-45Al-2Nb-2Mn(at.%)+0.8(vol.%)TiB2 (Ti4522XD), at service temperatures, and to relate them to specific microstructural features.
An array of microstructures was first generated by processing the investigated alloy by centrifugal casting (CC), in the form of LPT blades and rectangular specimens, and by powder metallurgy (PM) techniques, including hot isostatic pressing (HIP) and field assisted hot pressing (FAHP). Several post-processing heat treatments were carried out in both CC and PM samples. A thorough characterization of the microstructures thus generated was performed by scanning and transmission electron microscopy. In situ mechanical tests were then carried out in selected samples according to specific microstructures in a scanning electron microscope (SEM) aided by electron backscatter diffraction (EBSD) at 700 °C. In particular, constant strain rate (𝓔=10⁻³ s⁻¹) and constant stress (creep) (σ=250-450 MPa) tensile tests were performed and the microstructural evolution of selected areas was periodically imaged by SEM. The main findings of this research are summarized below.
First, in lamellar centrifugally cast microstructures deformed under creep conditions colony boundary cracking was observed to be the main fracture mechanism. It occurred at low and high stresses, during the secondary and the tertiary creep stages, respectively. The same phenomenon has been observed to predominate along the grain boundaries in finer duplex powder metallurgy microstructures under creep conditions. The occurrence of grain/colony boundary cracking reveals the activation of grain/colony boundary sliding (G/CBS) during creep deformation of lamellar and duplex microstructures, which leads to the nucleation of cracks at triple points. Moreover, in lamellar microstructures creep tested at high stresses (σ>400 MPa) and tensile tested at constant strain rate, the appearance of interlamellar ledges was observed, revealing that interlamellar areas become weaker as the stress increases.
Furthermore, the results obtained suggest that, in lamellar microstructures tested at high temperature and constant strain rate, true twin lamella boundaries constitute the weakest obstacles to dislocation motion. Thus, the relevant length scale might be influenced by the distance between non-true twin boundaries. Crystallographic slip is also observed to contribute to deformation under creep conditions. The slip activity during creep deformation was evaluated by trace analysis and a methodology to estimate the relative activity of ordinary and superdislocations, as well as the corresponding critical resolved shear stresses (CRSS), is proposed. This work showed the presence in both lamellar and duplex microstructures of a significant dislocation activity that does not comply with the Schmid law with respect to the applied stress and which thus seems to be a response to local stresses. Intragranular slip is suggested to be an active accommodation mechanism for GBS during creep of duplex microstructures. -------------------------------------------------------
Los aluminuros de titanio gamma son intermetálicos de gran potencial para aplicaciones aeronáuticas en turbinas de baja presión al proporcionar una elevada resistencia específica en condiciones de servicio agresivas, con temperaturas próximas a los 750 °C. Debido a ello, se espera que las aleaciones γ-TiAl reemplacen a las superaleaciones de base níquel, de mayor peso, que componen actualmente los álabes de estas turbinas. El objetivo de este trabajo de investigación es estudiar los mecanismos de deformación y fractura de una aleación γ-TiAl, la Ti-45Al-2Nb-2Mn(at.%)+0.8(vol.%)TiB2 (Ti4522XD), en condiciones equivalentes a las de servicio, y establecer relaciones con características microestructurales específicas. Se generaron distintas microestructuras mediante colada centrifuga y mediante técnicas pulvimetalúrgicas tales como compactación isostática en caliente y compactación asistida por campo. Posteriormente se llevaron a cabo tratamientos térmicos de las muestras así procesadas. Estas microestructuras se caracterizaron de forma exhaustiva mediante microscopia electrónica de barrido y de transmisión. Se realizaron ensayos mecánicos in situ en el interior de un microscopio electrónico de barrido, provisto de un detector de electrones retrodispersados, en muestras seleccionadas según su microestructura. En concreto, se realizaron ensayos a 700 °C a velocidad de deformación constante (𝓔=10⁻³ s⁻¹) y a tensión constante (σ=250-450 MPa) (fluencia), y durante los mismos se tomaron periódicamente imágenes de la evolución de la microestructura en áreas seleccionadas de las muestras. Las principales aportaciones de esta investigación se resumen a continuación. En primer lugar, se ha observado que en microestructuras laminares procesadas mediante colada centrifuga y ensayadas a fluencia el mecanismo principal de fractura es la nucleación de grietas en las fronteras de las colonias. Este fenómeno se observó en los ensayos de fluencia llevados a cabo tanto a bajas como a altas cargas, durante los regímenes secundario y terciario, respectivamente. En microestructuras dúplex obtenidas mediante ruta pulvimetalúrgica y ensayadas a fluencia se observó una intensificación de la nucleación de grietas a lo largo de las fronteras de los granos . Esto es consistente con la activación del mecanismo de deslizamiento de fronteras de grano/colonia que da lugar a la concentración de tensiones en los puntos triples. Además, las microestructuras laminares ensayadas a fluencia con cargas más elevadas (σ>400 MPa) y las deformadas a velocidad de deformación constante mostraron relieves interlaminares. Esto sugiere que las regiones entre láminas se debilitan al aumentar la tensión. Finalmente, los resultados obtenidos sugieren que, en microestructuras laminares ensayadas a alta temperatura y velocidad de deformación constante, las intercaras γ/γ de tipo true twin constituyen obstáculos débiles para el avance de las dislocaciones Por ello, la longitud crítica más relevante de estos materiales debe estar influenciada por la distancia entre fronteras distintas a las true twin. También se ha observado la contribución del deslizamiento cristalográfico a la deformación en condiciones de fluencia. Se ha estudiado por ello el deslizamiento de dislocaciones mediante un análisis de trazas y se ha propuesto una metodología para estimar la actividad relativa de dislocaciones ordinarias y superdislocaciones, así como su correspondiente tensión crítica de cizalla resuelta. Se ha observado que en microestructuras dúplex y laminares un número relativamente elevado de trazas de deslizamiento corresponden a sistemas que no obedecen la ley de Schmid con respecto a la carga aplicada y que, por tanto, deben ser activados por tensiones locales. Finalmente se propone que el deslizamiento intragranular de dislocaciones contribuye a la acomodación del deslizamiento de fronteras de grano de microestructuras dúplex ensayadas en fluencia.
Los aluminuros de titanio gamma son intermetálicos de gran potencial para aplicaciones aeronáuticas en turbinas de baja presión al proporcionar una elevada resistencia específica en condiciones de servicio agresivas, con temperaturas próximas a los 750 °C. Debido a ello, se espera que las aleaciones γ-TiAl reemplacen a las superaleaciones de base níquel, de mayor peso, que componen actualmente los álabes de estas turbinas. El objetivo de este trabajo de investigación es estudiar los mecanismos de deformación y fractura de una aleación γ-TiAl, la Ti-45Al-2Nb-2Mn(at.%)+0.8(vol.%)TiB2 (Ti4522XD), en condiciones equivalentes a las de servicio, y establecer relaciones con características microestructurales específicas. Se generaron distintas microestructuras mediante colada centrifuga y mediante técnicas pulvimetalúrgicas tales como compactación isostática en caliente y compactación asistida por campo. Posteriormente se llevaron a cabo tratamientos térmicos de las muestras así procesadas. Estas microestructuras se caracterizaron de forma exhaustiva mediante microscopia electrónica de barrido y de transmisión. Se realizaron ensayos mecánicos in situ en el interior de un microscopio electrónico de barrido, provisto de un detector de electrones retrodispersados, en muestras seleccionadas según su microestructura. En concreto, se realizaron ensayos a 700 °C a velocidad de deformación constante (𝓔=10⁻³ s⁻¹) y a tensión constante (σ=250-450 MPa) (fluencia), y durante los mismos se tomaron periódicamente imágenes de la evolución de la microestructura en áreas seleccionadas de las muestras. Las principales aportaciones de esta investigación se resumen a continuación. En primer lugar, se ha observado que en microestructuras laminares procesadas mediante colada centrifuga y ensayadas a fluencia el mecanismo principal de fractura es la nucleación de grietas en las fronteras de las colonias. Este fenómeno se observó en los ensayos de fluencia llevados a cabo tanto a bajas como a altas cargas, durante los regímenes secundario y terciario, respectivamente. En microestructuras dúplex obtenidas mediante ruta pulvimetalúrgica y ensayadas a fluencia se observó una intensificación de la nucleación de grietas a lo largo de las fronteras de los granos . Esto es consistente con la activación del mecanismo de deslizamiento de fronteras de grano/colonia que da lugar a la concentración de tensiones en los puntos triples. Además, las microestructuras laminares ensayadas a fluencia con cargas más elevadas (σ>400 MPa) y las deformadas a velocidad de deformación constante mostraron relieves interlaminares. Esto sugiere que las regiones entre láminas se debilitan al aumentar la tensión. Finalmente, los resultados obtenidos sugieren que, en microestructuras laminares ensayadas a alta temperatura y velocidad de deformación constante, las intercaras γ/γ de tipo true twin constituyen obstáculos débiles para el avance de las dislocaciones Por ello, la longitud crítica más relevante de estos materiales debe estar influenciada por la distancia entre fronteras distintas a las true twin. También se ha observado la contribución del deslizamiento cristalográfico a la deformación en condiciones de fluencia. Se ha estudiado por ello el deslizamiento de dislocaciones mediante un análisis de trazas y se ha propuesto una metodología para estimar la actividad relativa de dislocaciones ordinarias y superdislocaciones, así como su correspondiente tensión crítica de cizalla resuelta. Se ha observado que en microestructuras dúplex y laminares un número relativamente elevado de trazas de deslizamiento corresponden a sistemas que no obedecen la ley de Schmid con respecto a la carga aplicada y que, por tanto, deben ser activados por tensiones locales. Finalmente se propone que el deslizamiento intragranular de dislocaciones contribuye a la acomodación del deslizamiento de fronteras de grano de microestructuras dúplex ensayadas en fluencia.
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Keywords
Gamma titanium aluminides, Alloys, Materials technology, Aerospace materials