Characterization of microstructure evolution during high temperature creep of CMSX-4 superalloy by TEM, HRSTEM and high spatial resolution EDX mapping

• Autorzy: Dubiel B. , Czyrska-Filemonowicz A.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka zmian mikrostruktury podczas wysokotemperaturowego pelzania nadstopu CMSX-4 metodami TEM, HRSTEM oraz za pomocą map rozmieszczenia pierwiastków STEM-EDX z wysoką rozdzielczością przestrzenna

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Microstructural analysis ofCMSX-4 single nickel-base superalloy have been performed to investigate the mechanisms controlling its creep deformation at high temperature. The attention was focused on the examination of the dislocation networks and the chemical elements partitioning between the y and y' phases. The results of TEM investigations shown that in the primary creep stage at 950°C/185 MPa the dislocation networks are formed by reactions between dislocations. Initially unstable networks are converted into stable configurations, containing dislocations, which cannot move by slip. High spatial resolution EDX mapping allowed the investigation of chemical composition at nanoscale. It was determined, that heat treated CMSX-4 superalloy the y phase contains Co, Cr, Re as well as Ni and W. The content of Ni and W in y phase is smaller than in y' phase, which contains also Al, Ti and Ta. During the high temperature creep of CMSX-4 the morphological change of the y' particles from cubes to plates, called rafting, occurs. The increased concentration of Co and Cr at y-y' interfaces in CMSX-4 with rafted microstructure was observed. It was postulated that the observed segregation can be related with the diffusion of Co and Cr, associating dissolution of vertical y phase channels during rafting.

PL

W celu zbadania mechanizmów wysokotemperaturowego pelzania monokrystalicznego nadstopu niklu CMSX-4 przeprowadzono badania zmian mikrostruktury metodami mikroskopii elektronowej. Szczególną uwagę zwrócono na budowę siatek dyslokacyjnych oraz podział pierwiastków chemicznych pomiędzy fazy y i y'. Wyniki badań metodami TEM wykazały, że w pierwszym stadium pełzania w 950°C/185 MPa tworzą się siatki dyslokacyjne na skutek reakcji pomiędzy dyslokacjami. Początkowo niestabilne siatki dyslokacyjne ulegają przebudowie do konfiguracji stabilnych, zawierających dyslokacje, które nie mogą się poruszać przez poślizg. Mapy rozmieszczenia pierwiastków uzyskane za pomocą STEM-EDX z wysoką rozdzielczością przestrzenną umożliwiły zbadanie składu chemicznego w nanoskali. Stwierdzono, że w nadstopie CMSX-4 w stanie obrobionym cieplnie faza y zawiera Co, Cr, Re oraz Ni i W. Zawartość Ni i W w fazie y jest mniej sza niż w fazie y', która zawiera również Al, Ti i Ta. Podczas wysokotemperaturowego pełzania w mikrostrukturze nadstopu CMSX-4 zachodzi zmiana kształtu wydzieleń fazy y' z sześciennego na płytkowy, nazywana raftingiem. Po raftingu na granicach międzyfazowych y-y' zaobserwowano zwiększone stężenie Co i Cr. Segregacj a Co i Cr do granic y-y' jest prawdopodobnie związana z rozpuszczaniem się pionowych kanałów fazy y podczas raftingu.

Słowa kluczowe

EN

single crystal superalloy; creep; rafting

PL

monokrystaliczne nadstopy niklu; pełzanie; rafting

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 3
• Strony: 153--156
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Dubiel B.

• AGH University of Science and Technology, International Centre of Electron Microscopy for Materials Science, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Kraków

autor

Czyrska-Filemonowicz A.

• AGH University of Science and Technology, International Centre of Electron Microscopy for Materials Science, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Kraków

Bibliografia

• [1] Reed R. C.: The superaloys. Fundamentals and applications. Cambridge University Press, Cambridge (2006).
• [2] Rae C. M. F., Rist M. A., Cox D. C., Reed R. C., Matan N.: On the primary creep of CMSX-4 superalloy single crystals. Metallurgical and Materials Transactions A 31 (2000) 2219÷2228.
• [3] Chen Q. Z., Knowles D. M.: Mechanism of (112)/3 slip initiation and anisotropy of y' phase in CMSX-4 during creep at 750°C. Materials Science and Engineering A 356 (2003) 352÷367.
• [4] Nabarro F. R. N.: Rafting in superalloys. Metallurgical Transactions A 27 (1996) 513÷530.
• [5] Svoboda J., Lukas P.: Modelling of kinetics of directional coarsening in Ni-superalloys. Acta Materialia 6 (1996) 2557÷2565.
• [6] Nabarro F. R. N., Cress C. M., Kotschy P.: Thermodynamic driving force for rafting in superalloys. Acta Materialia 44 (1996) 3189÷3198.
• [7] Reed R. C., Matan N., Cox D. C., Rist M. A. Rae C. M. F.: Creep of CMSX-4 superalloy single crystals: effects of rafting at high temperature. Acta Materialia 47 (1999) 3367÷3381.
• [8] Pollock T. M., Field R. D.: Dislocations in solids. F. R. Nabarro and M. S. Duesberry (ed.). Vol. 11. Elsevier Science, Amsterdam (2002).
• [9] Epishin A., Link T.: Mechanism of high temperature creep of nickel-based superalloys under low applied stresses. Philosophical Magazine 84 (2004) 1979÷2000.
• [10] Mughrabi H.: Microstructural aspects of high temperature deformation of monocrystalline nickel base superalloys. Materials Science and Technology 25 (2009) 191÷204.
• [11] Dubiel B., Grodowski P., Czyrska-Filemonowicz A.: TEM studies of(001) oriented single crystal CMl86LC superalloy creep deformed at 750°C. Archives of Materials Science 26 (2005) 137÷144.
• [12] Dubiel B., Czyrska-Filemonowicz A.: Microstructural changes of CMl86LC single-crystal superalloy during creep deformation at 750°C. Journal of Microscopy 224 (2006) 8÷11.
• [13] Dubiel B., Czyrska-Filemonowicz A.: Microstructural changes during creep of CMSX-4 single crystal Ni base superalloy at 750°C. Journal of Microscopy 236 (2010) 364÷369.
• [14] Dubiel B., Czyrska-Filemonowicz A.: TEM analysis of creep mechanisms of single-crystalline nickel-base superalloys. Inżynieria Materiałowa 31 (2010) 610÷613.
• [15] Dubiel B., Czyrska-Filemonowicz A.: TEM analyses of microstructure evolution in ex-service single crystal CMSX-4 gas turbine blade. Solid State Phenomena 186 (2012) 139÷142.
• [16] Field R. D., Pollock T. M., Murphy W. H.: The development of y/y' interfacial dislocation networks in Ni-base superalloys. Superalloys 1992, Seven Springs PA 1992, ed. S. D. Antolovich et al., The Minerals, Metals & Materials Society (1992).
• [17] Kearsey R. M., Beddoes J. C., Jones P., Au P.: Compositional design considerations for microsegregation in single crystal superalloy systems. Intermetallics 12 (2004) 903÷910.
• [18] Reed R. C., Cox D. C., Rae C. M. F.: Kinetics of rafting in a single crystal superalloy: effects of residual microsegregation. Materials Science and Technology 23 (2007) 893÷902.
• [19] Hemmersmeier U., Feller-Kniepmeier M.: Element distribution in the macro- and microstructure of nickel base superalloy CMSX-4. Materials Science and Engineering A 248 (1998) 248÷287.
• [20] Epishin A. I., Svetlov I. L, Petrushin N. V, Loshchinin Y. V., Link T.: Segregation in single crystal nickel-base superalloys. Defect and Diffusion Forum 309-310 (2011) 121÷126.
• [21] Edington J. W.: Practical electron microscopy in material science. Vol. 4, Macmillan and Phillips Electron Optics Publishing Group, London (1975).
• [22] Durand-Charre M.: The microstructure of superalloys. Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam (1997).
• [23] Geddes B., Leon H., Huang X.: Superalloys: alloying and performance. ASM International (2010).