Development of a processing route based on the hot isostatic pressing (HIP) of inconel (R) 718 gas atomised powders for the optimisation of its mechanical properties
Issue Date: 
2019
Defense Date: 
19-Dec-2016
Publisher: 
Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra
Citation: 
CORTES CAMEROS, J. "Development of a processing route based on the hot isostatic pressing (HIP) of inconel (R) 718 gas atomised powders for the optimisation of its mechanical properties". Iturriza, I. Tesis doctora. Universidad de Navarra, 2016
Abstract
Las superaleaciones base níquel, como el INCONEL® 718 (IN718), son ampliamente usadas en componentes de motores aeronáuticos, debido a sus excelentes propiedades, especialmente a temperaturas elevadas. El IN718 se procesa normalmente por metalurgia clásica (forja y mecanizado). Sin embargo, el consumo de energía durante el procesado es alto y la eficiencia baja, siendo el ratio material necesario versus vuelo aproximadamente 10:1. Así, es necesario un sistema alternativo que mejore la eficiencia y el consumo de energía. La ruta pulvimetalúrgica de prensado isostático en caliente (HIP) en forma neta ofrece una solución, permitiendo la eliminación o al menos una gran reducción del proceso de mecanizado, y por lo tanto, se puede reducir el ratio material necesario versus vuelo de 10:1 a aproximadamente 1.5:1, produciéndose una reducción enorme de material necesario, consumo de energía y costes. Sin embargo, el principal problema de esta ruta en las superaleaciones base níquel es conseguir las propiedades mecánicas requeridas por la industria aeronáutica. Por lo tanto, esta tesis se centra en el estudio, análisis, caracterización y optimización de las diferentes etapas de la ruta pulvimetalúrgica mediante HIP del IN718 para conseguir las propiedades microestructurales y mecánicas requeridas para este material en aeronáutica. Primero, se realizó una completa caracterización de los polvos de IN718 fabricados por distintos métodos. La calidad de la materia prima, la morfología, las propiedades físicas, la fracción de polvo y la composición química de los polvos tienen una enorme influencia en las propiedades mecánicas. Por lo tanto, todas estas propiedades fueron estudiadas para seleccionar el polvo más apropiado. Se desea tener alta fluidez y densidad de llenado, bajo contenido de carbono y oxígeno, y contenidos adecuados de boro, niobio, aluminio y titanio. Además, se investigó y desarrolló un método para reducir el contenido de oxígeno en el polvo. Este sistema consiste en una reducción en hidrógeno a temperaturas moderadas y se observó una disminución del 30 % del contenido en peso del oxígeno en todos los polvos. Después, se desarrolló un procedimiento de encapsulación para mantener iguales las propiedades del polvo después del ciclo de HIP. La composición del polvo, especialmente el contenido de oxígeno y carbono por su gran influencia en las propiedades mecánicas, no deben ser modificadas durante la etapa de encapsulación previa al HIP y por lo tanto, un nuevo sistema de evacuación fue desarrollado.A continuación, se realizaron ciclos de HIP para evaluar la influencia de diversos parámetros (tipo y fracción de polvo, temperatura, tiempo, presión, composición química y velocidad de enfriamiento) en la microestructura y las propiedades mecánicas del IN718. Esta actividad permitió determinar la ventana óptima de HIP. Además, se estudiaron varios tratamientos térmicos (HT) para precipitar las fases necesarias para alcanzar las propiedades mecánicas. Finalmente, las propiedades de los materiales HIP y HIP con HT se analizaron (microestructura, tamaño de grano, composición química, dureza, tracción, tenacidad, ruptura por tensión y fatiga). Los resultados mostraron que, usando el polvo adecuado con la debida composición química, contenido de intersticiales, morfología y fracción, y las condiciones de HIP y HT óptimas, especialmente la temperatura, velocidad de enfriamiento y tiempo del ciclo de HIP, se alcanzan los valores requeridos para todas las propiedades, excepto tenacidad. Para aumentar la ductilidad y la tenacidad, un nuevo polvo de IN718 con bajo contenido de niobio fue diseñado y atomizado por gas. El contenido de niobio fue seleccionado para tener después de los tratamientos térmicos la misma fracción en volumen de precipitados gama doble prima que tiene el material forjado. Con este nuevo polvo la ductilidad y la tenacidad aumentaron un 20 %, manteniéndose el límite elástico y la máxima resistencia a la tracción en línea con los estándares aeronáuticos más exigentes. En conclusión, esta ruta pulvimetalúrgica mediante HIP desarrollada en este trabajo es un método viable para la manufacturación de componentes de motores aeronáuticos
Nickel-based superalloys, such as INCONEL® 718 (IN718), are widely used in aeroengine components, due to their excellent properties, especially at elevated temperatures. IN718 is typically processed through ingot metallurgy (forging and machining). However, the energy consumption of this process is really high and the efficiency is low, so the buy to fly ratio is approximately 10:1. Therefore, it is necessary to develop an alternative manufacturing method, which allows improving the efficiency and energy consumption. Net shape hot isostatic pressing (NSHIP) powder metallurgy route offers a new solution since this would lead to the elimination or at least a high reduction in machining operations and thus, the buy to fly ratio can be decreased from 10:1 to close 1.5:1, leading to a significant reduction in material waste, energy consumption and costs. However, the main issue of HIP powder route of nickel-based superalloys is the achievement of the mechanical properties required by aeronautic industry. Therefore, present thesis is focused on the study, analysis, characterisation and optimisation of the different steps involved in the IN718 HIPping powder metallurgy route to achieve the microstructural and mechanical requirements for IN718 aeronautic material. First, a complete characterisation of IN718 powders manufactured by diverse methods was done. The quality of raw material, morphology, physical properties, fraction size and chemical composition of the powders have high influence on the mechanical properties. Therefore, all these properties were studied to select the most appropriate powder. High flowability, high tap density, low carbon and oxygen content, and adequate boron, niobium, aluminium and titanium content are desired. Besides, a method to reduce the oxygen content of the powder was also investigated and developed. The system is based on hydrogen reduction at moderate temperatures and it was observed a decrease of approximately 30 % in the oxygen content by weight in all powders. After that, an outgassing procedure to keep the as-manufactured properties of the powder after HIP step was developed. Powder composition, especially oxygen and carbon content for their strong influence on mechanical properties, cannot be modified during degassing and canning prior to HIP cycle and thus, the development of a new outgassing method was mandatory.Afterwards, the powder was HIPped at different conditions to evaluate the influence of many parameters (type of powder, fraction size, temperature, time, pressure, chemical composition and cooling rate) on the microstructure and mechanical properties of the HIPped IN718. This activity allowed determining the optimum HIP window for this processing route. Below, heat treatments (HT) were studied to precipitate the necessary phases to achieve the mechanical properties required. Finally, the properties of the HIP and HIP with HT materials were analysed (microstructure, grain size, chemical composition, hardness, tensile test, toughness, stress rupture and high cycle fatigue). After these complete analysis was made, the results showed that, using the optimum powder with the adequate chemical composition, interstitials content, morphology and fraction size, and HIP and HT conditions, specially temperature, cooling rate and time of HIP cycle, all properties achieved the required values, except toughness. In order to increase toughness and ductility, a new low niobium IN718 powder was designed and gas atomised. Niobium content was selected to have after HT the same volume fraction of gamma double prime precipitates as it is achieved in forged material. With this new powder both ductility and toughness increase by 20 %, with UTS and yield strength in line with more demanded aeronautic standards. In conclusion, the HIP powder route developed in this work is suitable to manufacture IN718 aeroengine components with the required microstructure and mechanical properties.

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