Publication: Design of high temperature cobalt-based alloys processed by powder metallurgy route
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Publication date
2018-10
Defense date
2018-12-20
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Abstract
The superalloys are a family of alloys with great interest for their application in severe
conditions due to their high specific resistance at high temperatures up to 800 °C. Traditionally,
different industries have focused their efforts on implementing nickel-based superalloys due to
their excellent performance in extreme environments as for example in hot gas turbine parts of
aerospace industry.
The discovery of Sato et al. [1] marked a milestone, when a Co-Al-W ternary system with a
γ/γ’ dual phase microstructure was developed. The resulted precipitate phase has a stable
stoichiometry L12 at high temperatures. This new family of cobalt-based alloys allowed to develop
an alternative to conventional nickel-based. During the last decade, many investigations have
confirmed its excellent versatility, suitable corrosion resistance and good mechanical properties
and in severe conditions at high temperature.
On the other hand, the processing by powder metallurgy route of this family of superalloys,
has been advanced, in general terms, to improve the mechanical properties of compositions already
developed. This type of technology has made the powder metallurgy route, a very attractive
alternative for the design and development of new superalloys with a high degree of distribution
elements and good mechanical properties.
The main objective of this research work has been to design a new cobalt-based superalloy
by powder metallurgy route with a dual γ/γ’ microstructure, with a nominal composition of Co-
12Al-10W (at.%) and Co-12Al-10W-2Ti-2Ta (at.%), as well as, the study of its mechanical
properties at high strain rate conditions.
To be suitable, the defined compositions were processed by Mechanical Alloying (MA) and
consolidated by Field Assisted Sintering Techniques (FAST). To be able to perform a more precise
comparison, both compositions were also processed by conventional casting route in a controlled
atmosphere.
Once the alloys were consolidated, different heat treatments were suggested to choose the
most suitable γ/γ’ microstructure. All samples were characterized by Scanning Electron
Microscope and Transmission Electron Microscope, as well as study composition by Energy Dispersive Spectrometer and the present phases by X-ray diffraction. The mechanical properties
in terms of hardness were also studied by means of micro and nano indentation. Finally, the
mechanical behavior under dynamic conditions (at high strain rate of 103 s-1), and simultaneously
modifying the temperature in a range from room temperature to 850 °C was studied. A thermosvisco-
plastic Johnson-Cook model was constituted to simulate the behavior the cobalt-based
processed alloys in dynamic regimes.
Las denominadas superaleaciones son una familia de aleaciones de gran interés para aplicaciones en condiciones severas, al proporcionar una elevada resistencia específica a unas temperaturas cercanas a 800 °C. Tradicionalmente, industrias como la aeroespacial, han focalizado sus esfuerzos en implementar las superaleaciones base níquel, debido a su excelente comportamiento en ambientes extremos como, por ejemplo, en zonas calientes de turbinas de gas. El descubrimiento por Sato et al. [1] marcó un hito, al constatar que en el sistema ternario Co-Al-W se podía conseguir una microestructura de tipo dual γ/γ’, donde la fase precipitada tenía una estequiometria L12 estable a altas temperaturas. Esta nueva familia de superaleación base cobalto permitió desarrollar una alternativa a las convencionales base níquel. Durante esta última década, diversas investigaciones han confirmado su excelente versatilidad, buenas propiedades mecánicas y resistencia a corrosión en condiciones extremas a alta temperatura. Por otro lado, el procesamiento por la ruta pulvimetalúrgica de esta familia de las superaleaciones, ha ido consiguiendo, en términos generales, mejorar las propiedades mecánicas de las composiciones ya desarrolladas anteriormente. Este tipo de tecnología ha hecho de la vía pulvimetalúrgica, una opción muy atractiva para el diseño y creación de nuevas superaleaciones con un alto grado de distribución de elementos y buenas propiedades mecánicas. El principal objetivo de esta tesis ha sido plantear a partir de la ruta pulvimetalúrgica una nueva superaleación base cobalto con una composición nominal Co-12Al-10W (at.%) y Co-12Al- 10W-2Ti-2Ta (at.%), así como el estudio de sus propiedades mecánicas en condiciones de alta velocidad de deformación. Para cumplir con él, las composiciones definidas se fabricaron en polvo mediante molienda mecánica de alta energía (MA del inglés Mechanical Alloying) y se consolidaron mediante técnicas asistidas por campo (FAST, del inglés Field Assisted Techniques). Para poder realizar de forma más precisa una comparativa con respecto a las mismas aleaciones obtenidas por moldeo, también fueron procesadas las dos composiciones por colada convencional en atmosfera controlada. Una vez consolidadas las aleaciones, se estudiaron diferentes tipos de tratamientos térmicos para poder elegir la microestructura más adecuada. Todas las muestras se caracterizaron mediante microscopia electrónica de barrido y transmisión, así como estudio de composición por EDS y de las fases presentes por difracción de Rayos X. También se estudiaron sus propiedades mecánicas mediante micro y nano identación. Finalmente se estudió el comportamiento mecánico en condiciones dinámicas (a alta velocidad de deformación, ε!=103 s-1), y modificando simultáneamente las temperaturas en un rango desde temperatura ambiente hasta 850 °C. Se constituyó así, un modelo termo-visco plástico de Johnson-Cook que simula el comportamiento del material en regímenes dinámicos
Las denominadas superaleaciones son una familia de aleaciones de gran interés para aplicaciones en condiciones severas, al proporcionar una elevada resistencia específica a unas temperaturas cercanas a 800 °C. Tradicionalmente, industrias como la aeroespacial, han focalizado sus esfuerzos en implementar las superaleaciones base níquel, debido a su excelente comportamiento en ambientes extremos como, por ejemplo, en zonas calientes de turbinas de gas. El descubrimiento por Sato et al. [1] marcó un hito, al constatar que en el sistema ternario Co-Al-W se podía conseguir una microestructura de tipo dual γ/γ’, donde la fase precipitada tenía una estequiometria L12 estable a altas temperaturas. Esta nueva familia de superaleación base cobalto permitió desarrollar una alternativa a las convencionales base níquel. Durante esta última década, diversas investigaciones han confirmado su excelente versatilidad, buenas propiedades mecánicas y resistencia a corrosión en condiciones extremas a alta temperatura. Por otro lado, el procesamiento por la ruta pulvimetalúrgica de esta familia de las superaleaciones, ha ido consiguiendo, en términos generales, mejorar las propiedades mecánicas de las composiciones ya desarrolladas anteriormente. Este tipo de tecnología ha hecho de la vía pulvimetalúrgica, una opción muy atractiva para el diseño y creación de nuevas superaleaciones con un alto grado de distribución de elementos y buenas propiedades mecánicas. El principal objetivo de esta tesis ha sido plantear a partir de la ruta pulvimetalúrgica una nueva superaleación base cobalto con una composición nominal Co-12Al-10W (at.%) y Co-12Al- 10W-2Ti-2Ta (at.%), así como el estudio de sus propiedades mecánicas en condiciones de alta velocidad de deformación. Para cumplir con él, las composiciones definidas se fabricaron en polvo mediante molienda mecánica de alta energía (MA del inglés Mechanical Alloying) y se consolidaron mediante técnicas asistidas por campo (FAST, del inglés Field Assisted Techniques). Para poder realizar de forma más precisa una comparativa con respecto a las mismas aleaciones obtenidas por moldeo, también fueron procesadas las dos composiciones por colada convencional en atmosfera controlada. Una vez consolidadas las aleaciones, se estudiaron diferentes tipos de tratamientos térmicos para poder elegir la microestructura más adecuada. Todas las muestras se caracterizaron mediante microscopia electrónica de barrido y transmisión, así como estudio de composición por EDS y de las fases presentes por difracción de Rayos X. También se estudiaron sus propiedades mecánicas mediante micro y nano identación. Finalmente se estudió el comportamiento mecánico en condiciones dinámicas (a alta velocidad de deformación, ε!=103 s-1), y modificando simultáneamente las temperaturas en un rango desde temperatura ambiente hasta 850 °C. Se constituyó así, un modelo termo-visco plástico de Johnson-Cook que simula el comportamiento del material en regímenes dinámicos
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Cobalt-based alloys, Mechanical alloying, Mechanical behavior, Field Assisted Sintering Techniques (FAST), Superaleaciones de base de cobalto, Molienda mecánica de alta energía, Pulvimetalurgia