Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1316
Main Title: Microstructure Investigation of Modified Inconel 706 Superalloys
Translated Title: Untersuchung der Mikrostruktur von modifizierten Inconel 706 Superlegierungen
Author(s): Kindrachuk, Vitaliy
Advisor(s): Banhart, John
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wird die Nickel-Basis-Superlegierung Inconel 706 untersucht. Die Legierung ist stabil in einem Temperaturbereich bis zu 650°C und findet Anwendung bei der Herstellung von Gas- und Dampfturbinen. Das Ziel ist die Legierung zu optimieren um den Einsatz bei 700°C und eine Lebensdauer im Bereich von 200 000 h zu ermöglichen. Zwei Modifizierungen von Inconel 706 werden betrachtet: Rhenium (Re)-zulegiertes Inconel 706 und die Legierung DT 706 mit geänderter Zusammensetzung. Die Mikrostruktur der zu untersuchenden Legierungen wird mittels Rasterelektronenmikroskopie und hochauflösender Elektronenmikroskopie erforscht. Dreidimensionale Atomsondenanalyse (3DAP) wird benutzt, um mikrochemische Analysen durchführen zu können. Die Finite Elemente (FE) Analyse wird verwendet, um die Morphologienentwicklung von Ausscheidungen während der Alterung bei 750°C vorauszusagen. Die modifizierte Wärmebehandlung (MST) verursacht die Bildung von individuellen γ' und γ'' Ausscheidungen sowie γ'/γ'' Koausscheidungen mit durchschnittlichen Größen von ungefähr 20 nm. An den Korngrenzen bilden sich η Ausscheidungen. Während der 750-stündigen Alterung bei 750°C entsteht und wächst die η Phase intragranular. Eine weitere Alterung der MST Proben bei 750°C für 5000 h führt zur vollständigen Auflösung der γ' und γ'' Phasen. Deshalb geht die Ausscheidungshärtung der Inconel 706 Superlegierung, welche durch die intermetallischen γ' und γ'' Phasen verursacht wird, verloren. Die Re-haltige Legierung hat nach der MST Wärmebehandlung eine ähnliche Mikrostruktur wie die ursprüngliche Legierung. Rhenium konzentriert sich in der γ Matrix (ungefähr 0.8 at.%), während die intermetallischen Phasen 0.2 – 0.3 at.% Re enthalten. Während der 750-stündigen Alterung bei 750°C bilden sich η Platten mit Größen von ungefähr 50 – 100 nm. Ihr Re-Gehalt ist sehr niedrig (0.07 at.%). Nach dem Altern für 5000 h bleiben nur η Platten in die Matrix eingebettet. Daher verschlechtern sich bei der Re-haltigen Inconel 706 Legierung die mechanischen Eigenschaften, ähnlich wie bei der ursprünglichen Legierung. Im Gegensatz dazu zeigt die DT 706 Superlegierung einen Vorteil gegenüber der Inconel 706 Superlegierung, da bei DT 706 sogar nach 5000-stündiger Alterung bei 750°C die Ausscheidungshärtung erhalten bleibt. Dies ist möglich geworden auf Grund einer Zunahme des Verhältnisses von Al+Ti zu Nb von 1.22 (bei Inconel 706) auf 1.85 (bei DT 706). Die FE-Analyse zeigt, dass eine γ'' Ausscheidung energetisch instabil ist und dazu neigt, mit einer γ' Ausscheidung eine γ'/γ'' Koausscheidung zu bilden. Die γ'' Partikel in den Koausscheidungen wachsen zu Platten, die senkrecht zur längsten Fehlanpassungsdimension orientiert sind.
The nickel-iron based superalloy Inconel 706 is investigated in the present study. The superalloy is used as disc material in gas turbines owing to its good stability at temperatures up to 650°C. The topic of this investigation is to optimize Inconel 706 in order to make it applicable at temperatures above 700°C for service times up to 200 000 h. Two modifications are investigated: rhenium (Re)-containing Inconel 706 and alloy DT 706 with an increased ratio of Al+Ti to Nb from 1.22 (for Inconel 706) to 1.85 (for DT 706). The microstructure of Inconel 706 and of the corresponding modified superalloys is investigated using scanning and transmission electron microscopy. Three dimensional atom-probe analysis is applied for high resolution chemical analysis on an atomic scale. Finite element (FE) analysis is used to predict the morphological evolution of precipitates during ageing at 750°C. The modified stabilization heat treatment (MST) produces individual γ' and γ'' precipitates and γ'/γ'' co-precipitates with average sizes of about 20 nm. MST produces also η precipitates which form at grain boundaries. During ageing at 750°C for 750 h nucleation and growth of the η phase occurs intragranularly. Further ageing of the MST samples at 750°C up to 5000 h leads to the full dissolution of the γ' and γ'' phases. Thus, the precipitation strengthening of the Inconel 706 superalloy by the intermetallic γ' and γ'' phases becomes completely lost after ageing for 5000 h. The Re-containing Inconel 706 has a microstructure after MST heat treatment similar to the unmodified Inconel 706 superalloy. Rhenium concentrates in the γ matrix (about 0.8 at.%), whereas the intermetallic phases contain 0.2 – 0.3 at.% Re. Large η plates with sizes of about 50 – 100 nm are formed after ageing at 750°C for 750 h. Their Re-content is very small (0.07 at.%). Only η plates embedded into the matrix remain after ageing for 5000 h. Therefore, the mechanical properties of the Re-containing superalloy deteriorate similar to the unmodified Inconel 706. On the contrary, DT 706 has an advantage over the Inconel 706 superalloy because DT 706 remains precipitation-strengthened even after service at 750°C for 5000 h. FE analysis shows that a γ'' precipitate is energetically unstable with respect to merge with a γ' precipitate creating a γ'/γ'' co-precipitate. γ'' particles grow into plates oriented perpendicularly to the direction with the lager mismatch.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12442
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1613
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1316
Exam Date: 9-Dec-2005
Issue Date: 8-Mar-2006
Date Available: 8-Mar-2006
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): 3D Atomsondenanalyse
3D Finite Elemente Analyse
Fehlanpassung
Nickel-Basis-Superlegierungen
Phasengrenze
3D atom-probe
3D finite element analysis
Interface
Misfit
Nickel-iron based superalloys
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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