Structure of single-crystalline turbine blades grown from CMSX-4 superalloy

• Autorzy: Lelątko J. , Bogdanowicz W. , Dercz G. , Albrecht R. , Rak J. , Sieniawski J. , Stróż D.

Warianty tytułu

PL

Struktura wyjściowa monokrystalicznych nadstopów CMSX-4 w postaci łopatek do turbin

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Nickel-based single-crystal superalloys are widely used for production of high pressure turbine blades. The studied blades were obtained in an ALD Vacuum Technologies fumace by the Bridgman technique. Crystallization process was carried out with withdraw rates of 1 mm/min, 3 mm/min and 5 mm/min. High withdraw rate of crystallization can lead to formation many different type of defects such as freckles or high and low angle boundaries, presence of other phases which may be influenced by subsequent thennal treatment. The dendrite microstructure based on the y/y' phases and they defects was characterized using X-ray topography, Laue diffraction, optical microscopy and scanning electron microscopy. The phase and microstructure were analyzed using X-ray diffraction and transmission electron microscopy. It was found that crystal orientation, lattice parameter of y' phase, concentration of defects and the quantity of y + y' eutectic structure are correlated with withdraw rate of single crystal of the superalloy. The defect concentration increase in some areas which was the result of deviation of primary dendrite arm from crystallization direction. Increase of the crystallization rate from 3 to 5 mm/min results in increase of the direction deviation of the blade axis from <001> direction from 7 to 18 angular degrees. Also, the change of the phase composition was observed. Apart from y and y' the Ni6AlTa phase was identified. The quantity of this phase increases with increasing withdraw rates of blades. The changes in defect structure, deviation direction and phase composition with the withdraw rates of single-crystal CMSX-4 will influence the turbine blades quality.

PL

Monokrystaliczne nadstopy niklu są używane do wytwarzania wysokociśnieniowych łopatek turbin. Badane w prezentowanej pracy łopatki wytworzono metodą Bridgemana. Proces krystalizacji prowadzono przy szybkości wyciągania 1 mm/min, 3 mm/min i 5 mm/min. Szybkość krystalizacji bezpośrednio wpływa na liczbę tworzących się dyslokacji, na granice nisko- i szerokokątowe oraz obecność innych faz. Struktura dendrytyczna złożona z faz y i y' i struktura defektowa były charakteryzowane za pomocą topografii rentgenowskiej, dyfrakcji Lauego, mikroskopu świetlnego oraz skaningowego mikroskopu elektronowego. Skład fazowy i mikrostrukturę nadstopu niklu badano, używając rentgenowskiej analizy fazowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Stwierdzono, że orientacja monokryształu, parametr sieci krystalicznej fazy y', koncentracja defektów i ilość eutektyki y + y' silnie zależą od szybkości wyciągania łopatek z nadstopu niklu. Koncentracja defektów, W niektórych obszarach zwiększa się jako wynik odchylenia kierunku wzrostu pierwotnych dendrytów od kierunku krystalizacji. Zwiększenie szybkości krystalizacji z 3 mm/min do 5 mm/min powoduje zwiększenie kąta odchylenia osi łopatki od kierunku krystalizacji <001> z 7 do 18 stopni kątowych. Równocześnie obserwowano zmiany składu fazowego nadstopu. Oprócz faz y i y' identyfikowano fazę Ni6AlTa. Ilość tej fazy zwiększa się wraz ze wzrostem szybkości wyciągania łopatek. Zmiany w strukturze defektów, wielkości kąta odchylenia kierunku krystalizacji oraz składu fazowego uwarunkowane szybkością wyciągania monokrystalicznych nadstopów CMSX-4 będą wpływać na parametry późniejszej obróbki cieplnej, a w konsekwencji na jakość wytwarzanych łopatek do turbin.

Słowa kluczowe

EN

nickel superalloys; crystallization; single crystal; structure; turbine blades

PL

nadstopy niklu; krystalizacja; monokryształ; struktura; łopatki turbin

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 4
• Strony: 317--319
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys.

Twórcy

autor

Lelątko J.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

autor

Bogdanowicz W.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

autor

Dercz G.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

autor

Albrecht R.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

autor

Rak J.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

autor

Sieniawski J.

• Katedra Materiałoznawstwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Stróż D.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

Bibliografia

• [1] Pollock T. M.: The growth and elevated temperature stability of high refractory nickel-base single crystals. Mater. Sci. Eng B 32 (1995) 255.
• [2] Pollock T. M., Murphy W. H.: The Breakdown of single-crystal solidification in high refractory nickel-base alloys. Metall. Mater. Trans. A 27A (1996) 1081.
• [3] Seth B. B.: Superalloys -the utility gas turbine perspective in superalloys 2000. Pollock, Kissinger, Bowman, Green, McLean, Olson, Schirra (Eds.) The Minerals, Metals & Materials Society: New York (2000) 3.
• [4] Li J. R., Zhao J. Q., Liu S. Z. and Han M.: Effects of low angle boundaries on the mechanical properties of single crystal superalloy DD6. Proc. 11th Int. Symp. on 'Superalloys 2008', Champion, PA, USA, September (2008) TMS 443÷151.
• [5] Fuchs G. E.: Solution heat treatment response of a third generation single crystal Ni base superalloy. Mater. Sci. Eng. A 300 (2001) 52.
• [6] Jinjiang Y., Xiaofeng S., Nairen Z., Tao J., Hengrong G., Zhuangqi H.: Effect of heat treatment on microstructure and stress rupture life of DD32 single crystal Ni-base superalloy. Mater. Sci. Eng A 460÷461 (2007) 420.
• [7] Dubiel B.: Zmiany mikrostruktury podczas pełzania monokrystalicznych nadstopów niklu. Wyd. AGH, Kraków (2011).