In general, nickel-base superalloy has been extensively used as land-based gas turbine blades and vanes. Plasma transferred arc welding(PTAW) has been considered as a repair welding process of nickel-base superalloy. This research evaluated the relationship between hot ductility behavior and hot cracking susceptibility in nickel-base superalloys. Ductility recovery rate of nickel base superalloys was found to be poor due to incipient melting and constitutional liquation. This seems to increase the hot cracking susceptibility.
Yanagawa, Hiroto;Nakamura, Daisuke;Hirose, Akio;Kobayashi, Kojiro F.
대한용접접합학회:학술대회논문집
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대한용접접합학회 2002년도 Proceedings of the International Welding/Joining Conference-Korea
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pp.193-198
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2002
In 1his paper, applicability of laser welding to joining process of single crystal nickel base superalloy turbine blades was investigated. Because heat input of laser welding is more precisely controlled 1han TIG welding, it is possible to optimize solidification microstructure of the welds. Since in single crystal nickel base superalloy the crystal orientation have a significant effect on the strength, it is important to control the solidification microstructure in the fusion zone. A single crystal nickel base supera1loy, CMSX-4, plates were bead-on welded and butt welded using a $CO_2$ laser. The effects of microstructure and crystal orientation on properties of the weld joints were investigated. In bead-on weldling, welding directions were deviated from the base metal [100] direction by 0, 5, 15 and 30 degrees. The welds with deviation angles of 15 and 30 degrees showed fusion zone transverse cracks. As the deviation angles became larger, the fusion zone had more cracking. In the cross section microstructure, the fusion zone grains in 0 and 5 degrees welds grew epitaxially from the base metal spins except for the bead neck regions. The grains in the bead neck regions contained stray crystals. As deviation angles increased, number of the stray crystals increased. In butt welding, the declinations of the crystal orientation of the two base metals varied 0, 5 and 10 degrees. All beads had no cracks. In the 5 degrees bead, the cross section and surface microstructures showed that the fusion zone grains grew epitaxially from the base metal grains. However, the 10 degrees bead, the bead cross section and surface contained the stray crystals in the center of the welds. Orientations of the stray crystals accorded with the heat flow directions in the weld pool. When the welding direction was deviated from the base metal [100] direction, cracks appeared in the area including the stray crystals. The cracks developed along the grain boundaries of the stray crystals with high angles in the final solidification regions at the center of the welds. The fracture surfaces were covered with liquid film. The cracks, therefore, found to be solidification cracks due to the presence of low melting eutectic. As the results, in both bead-on welding and butt welding the deviation angles should be control within 5 degrees for preventing the fusion zone cracks. To investigate the mechanical properties of the weld joints, high temperature tensile tests for bead-on welds with deviation angles of 0 and 5 degrees and the butt welds with dec1ination angles of 0, 5 and 10 degrees were conducted at 1123K. The the tensile strength of all weld joints were more 1han 800MPa that is almost 80% of the tensile strength of the base metal. The strength of the laser weld joints were more than twice that of tue TIG weld joints with a filler metal of Inconel 625. The results reveals 1hat laser welding is more effective joining process for single crystal nickelbase superalloy turbine blades 1han TIG welding.
A more accurate life prediction for gas turbine blade takes into account the material behavior under the complex thermo-mechanical fatigue(TMF) cycles normally encountered in turbine operation. An experimental program has been carried out to address the thermo-mechanical fatigue life of the IN738LC nickel-base superalloy. In the first phase of the study, out-of-phase and in-phase TMF experiments have been performed on uncoated and coated materials. In the temperature range investigated. the deposition of NiCrAlY air plasma sprayed coating did not affect the fatigue resistance. In the second phase of the study, a physically-base life prediction model that takes into account of the contribution of different damage mechanisms has been applied. This model was able to reflect the temperature and strain rate dependences of isothermal cycling fatigue lives, and the strain-temperature history effect on the thermo-mechanical fatigue lives.
The operating temperature has been increased to improve the efficiency of gas turbine. The most advanced Gas turbine is operated at above $1,500^{\circ}C$. Improvement in material and cooling method permit hot gas path component to run at increased temperature. But, the repair of blades which are developed with advanced manufacture technique is difficult to use normal welding. Most of gas turbine blades are made of precipitation harden nickel base superalloy, which is very hard to weld. Therefore, the employment of welding filler on blade is solid solution nickel base superalloy(Hastelloy X, Inconel 617). In this study, Tensile test in high temperature was conducted on welded GTD111DS with GTD111 to evaluate effect of variation of pre, post treatment. The result of this study showed that the specimen was treated with optimum pre and post treatment(preweld HT($1200^{\circ}C$), Post treatment($1100^{\circ}C$ HIP, $1200^{\circ}C$ + $1100^{\circ}C$ + $800^{\circ}C$ HT) is mush superior.
Process design in superplastic forming to produce a Nickel-base jet engine disk has been carried out using the rigid-viscoplastic finite element method. This study aims at deriving systematic procedures in forging of superalloy engine disk, and develops a simple scheme to control strainrate within a range of superplastic deformation during the forging operation. The new process, a pancake type preform being used, is designed to have less manufacturing time, and more even distribution of effective strain in the final product, while the conventional superplastic forging of an engine disk has been produced from a cylindrical billet. The jet engine company, Pratt & Whitney, provided the basic information on the manufacturing process of superplastic forging of a jet engine disk.
In this study, hot isostatic pressed Ni-base superalloy was subjected by high-pressure torsion process to improve the dispersion of gamma prime phase, mechanical properties and remove prior particle boundaries. The resulting microstructural size decreases and prior particle boundaries removed with increasing strain by high-pressure torsion process. Moreover, the microhardness values and room temperature tensile strength were enhanced. However, the tensile elongation was decreased as increasing strain due to fast crack propagation along the refined and well dispersed gamma prime particles.
Co의 리싸이클링을 원활히 하기 위하여 괴상 superalloy 스크랩을 용융Zn으로 분해할 때의 최적처리조건을 조사하였다. 조사한 superalloy는 Co-기 Mar-M-509와 X-45 그리고 Ni-기 Rene 80이었다. Zn/스크랩 비율이 1.5~6.5인 장입물을 질소 분위기에서 $750~900^{\circ}C$에서 1~7.5시간 동안 가열하였다. 용융된 Zn은 스크랩을 용해하였고, Zn은 $850~900^{\circ}C$에서 4~6시간 동안 진공증류하여 제거되었다. Mar-M-509와 Rene 80의 최적 처리조건은 용해온도 약 $^850{\circ}C$, Zn/스크랩 비율 약 5, 그리고 용해시간 약 5.5시간이었다. Zn처리 superalloy 생성물은 쉽게 부스러졌으며, 산 용액에 의해 빠르게 침출되었다. Mar-M-509 또는 Rene 80의 경우, 미처리 스크랩(9mm 조각)을 화학양론양 5배의 6N HCl으로 $90^{\circ}C$에서 3시간 동안 처리하면 침출도는 약 1.5~7.2%에 지나지 않았으나, Zn처리 생성물(-20 메쉬의 것)의 침출도는 약 89.0~93.0%나 되었다.
The fatigue strength of a nickel-base superalloy was studied. Stress-controlled fatigue tests were carried out at $700^{\circ}C$ and 5 Hz using triangular wave forms. In this study, two kinds of testing procedures were adopted. One is the conventional tension-zero fatigue test(R = 0). The other was a procedure in which the maximum stress was held at 1000 MPa and the minimum stress was diverse from zero to 1000 MPa at 24 and $700^{\circ}C$. The results of the fatigue tests at $700^{\circ}C$ indicate that the fracture mechanism changed according to both the mean stress and the stress range. At a higher stress range, ${\gamma}^{\prime}$ precipitates are sheared by a/2<110> dislocation pairs coupled by APB. Therefore, in a large stress range, the deformation occurred by shearing of ${\gamma}^{\prime}$ by a/2<110> dislocations, which brought about crystallographic shear fracture. As the stress range was decreased, the fracture mode gradually changed from crystallographic shear fracture to gradual growth of fatigue cracks. At an intermediate stress range, as it became more difficult for a/2<110> dislocation pairs to shear ${\gamma}^{\prime}$ particles, cracks started to propagate in the matrix, avoiding the harder ${\gamma}^{\prime}$ particles. High mean stress induced creep deformation, that is, ${\gamma}^{\prime}$ particles were sheared by {111}<112> slip systems, which led to the formation of stacking faults in the precipitates. Thus, the change in fracture mechanism brought about the inversion of the S-N curves.
In this study, solid solution heat treatment of consolidated nickel-based superalloy powders is carried out by hot isotactic pressing. The effects of the cooling rate of salt quenching, and air cooling on the microstructures and the mechanical properties of the specimens are analyzed. The specimen that is air cooled shows the formation of serrated grain boundaries due to their obstruction by the carbide particles. Moreover, the specimen that is salt quenched shows higher strength than the one that is air cooled due to the presence of fine and close-packed tertiary gamma prime phase. The tensile elongation at high temperatures improves due to the presence of grain boundary serrations in the specimen that is air cooled. On the contrary, the specimen that is salt quenched and consists of unserrated grain boundaries shows better creep properties than the air cooled specimen with the serrated grain boundaries, due to the negative creep phenomenon.
Superalloys with many strengthening alloying elements are frequently used in powder form to alleviate harmful effects of alloy segregation. HIP (hot isostatic pressing) and DB (diffusion bonding) as a form of solid-state bonding process is often used to make turbine components, such as integrated turbine rotors. HIP/DB process requires many technical overcomes related to dimensional changes as well as microstructural control. In this research, HIP/DB process for nickel base superalloys, Udimet 720, were investigated with a view to control the dimensional change during the consolidation process. Simple disc-shaped cans were used to select the conceptual die design for the control of the dimensional change especially in radial direction. The change in the shape of consolidated shape was investigated using commercial FE code with constitutive equations for low temperature plasticity and creep deformation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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