Selección de la temperatura HIP para la superaleación LPBF Rene125
La aleación Rene125 es una superaleación de base níquel solidificada direccionalmente con excelentes propiedades mecánicas a altas temperaturas, una extraordinaria resistencia a la oxidación y una notable resistencia a la fluencia. Estas propiedades la hacen especialmente adecuada para componentes de alta temperatura en aplicaciones aeroespaciales, como los álabes de turbina. Aunque la tecnología tradicional de solidificación direccional (DS) presenta ventajas en la preparación de estructuras cristalinas direccionales a gran escala, es costosa y compleja. La fusión de polvo por láser (LPBF) ofrece una alternativa mediante el escaneo punto por punto con láser de alta energía y velocidades de enfriamiento ultraelevadas, lo que permite obtener microestructuras similares.
El polvo Rene125 utilizado en este estudio fue proporcionado por Truer Technology Co. Ltd. El polvo se preparó mediante el método de atomización con gas con un rango de tamaño de partícula de 15-53 μm.
| Imágenes SEM del polvo Rene125 con PSD 15-53um |
Método experimental:
Antes del proceso LPBF, los polvos se secaron en un horno a 130 °C durante 2 h para eliminar la humedad y mejorar su fluidez. Todas las muestras se fabricaron en sustratos monocristalinos preparados mediante DS. Se mantuvieron constantes el grosor de la capa (30 μm), el paso de barrido (100 μm) y el ángulo de barrido entre capas (67°). Se seleccionaron diferentes potencias de láser (180/240/300/360 W) y velocidades de escaneado (400/500/600/700/800/900 mm/s) para optimizar los parámetros y determinar la mejor combinación. Se prepararon probetas cúbicas con unas dimensiones de 8 mm (longitud) × 8 mm (anchura) × 8 mm (altura) para la microestructura, y probetas de tracción con una longitud de 30 mm, paralelas a la dirección de construcción.
| Muestra LPBF y dirección del edificio |
El prensado isostático en caliente (HIP) se estableció a una presión constante de 120 MPa bajo atmósfera de argón, y se seleccionaron tres temperaturas diferentes – 1050 ° C, 1150 ° C y 1230 ° C para tratar las muestras, que se marcaron como HIP-1050, HIP-1150 y HIP-1230 respectivamente. Durante el tratamiento HIP, la velocidad de calentamiento se mantuvo en 10 ° C / min. Después de alcanzar la temperatura objetivo, se mantuvo isotérmicamente durante 3 horas y luego se enfrió a temperatura ambiente con el horno.
Grieta de solidificación:
| Grietas de solidificación de la probeta LPBF de René 125 |
En consonancia con estudios anteriores sobre superaleaciones con base de níquel tratadas con LPBF, las grietas internas de la muestra original se componen principalmente de grietas de solidificación. Se seleccionó la muestra fabricada con una potencia láser de 360 W y una velocidad de barrido de 700 mm/s para investigar el mecanismo de formación de grietas. La microestructura de la grieta de solidificación típica presenta características de fractura intergranular a lo largo del límite de la dendrita. En el interior de la grieta se observó una morfología evidente de dendrita primaria y brazo de dendrita secundario.
| Imagen de la distribución de elementos EPMA |
Los resultados de EPMA comparan grietas y zonas intactas cerca de la punta de la grieta. La evidente segregación de elementos de soluto (Hf, Ti, Ta) en los límites de grano produce la característica morfología de solidificación suave de la película líquida. Durante el rápido proceso de solidificación, la fusión local del eutéctico de baja fusión en los límites de grano conduce a la ruptura de la película líquida bajo tensión térmica. Los ciclos térmicos subsiguientes a partir de charcos fundidos superpuestos intensifican la propagación de la grieta mediante procesos repetidos de licuefacción-solidificación.
Efecto de la temperatura HIP en la evolución de la microestructura:
| Microestructura a diferentes temperaturas de HIP |
Todas las muestras tratadas con HIP se fabricaron con los parámetros de proceso óptimos de 300 W/900 mm/s. La figura anterior muestra la microestructura de la aleación Rene125 tratada con HIP a 1050°C, 1150°C y 1230°C, respectivamente. A escala macroscópica (300 μm), la muestra tratada con HIP a 1050°C conserva algunas grietas sin curar y poros irregulares, lo que indica que el mecanismo de eliminación de poros por difusión no está suficientemente activado a esta temperatura. A medida que la temperatura HIP aumenta hasta 1150°C, el número de poros disminuye significativamente, y los poros residuales son esféricos (diámetro <5 μm), lo que indica que hay suficiente energía térmica para el flujo plástico y la unión por difusión. Con el tratamiento HIP a 1230 °C, la muestra alcanza una densificación casi completa y los poros se eliminan por completo, lo que indica que la difusión aparente y el deslizamiento de los límites de grano dominan el proceso de densificación a altas temperaturas.
la muestra de 1050°C-HIP conserva estructuras de grano columnar durante el proceso LPBF, aunque hay una nucleación obvia de granos recristalizados en los límites de grano. La muestra de 1150°C-HIP muestra una recristalización más obvia, formando una microestructura bifásica de granos equiaxed y granos columnares residuales. Se observan abundantes precipitados blancos a lo largo de los límites de grano. Tras el tratamiento HIP a 1230°C, se produce una recristalización casi completa. La microestructura de la muestra HIP-1230 se transforma de cristales columnares gruesos a granos equiaxiales con límites de grano rectos, lo que concuerda con la migración acelerada de los límites de grano a alta temperatura. El número de precipitados de límites de grano blancos se reduce significativamente en comparación con la condición de 1150°C.
Conclusiones
La formación de grietas en la aleación Rene125 tratada con LPBF se atribuye principalmente a la concentración de tensiones en el límite de grano y a la segregación de la fase eutéctica de bajo punto de fusión en la región de solapamiento del baño de fusión. El aumento de la velocidad de barrido favorece la transición del modo de ojo de cerradura al modo de conducción, lo que promueve el crecimiento direccional del grano y alivia la formación de grietas.
El tratamiento HIP sanea eficazmente las grietas y poros retenidos durante la LPBF. Se consigue una densificación casi completa bajo HIP a 1230°C, acompañada de una recristalización completa y una reducción significativa de la densidad de dislocaciones.
