Characterisation of TCP phases in CMSX-4 single crystal superalloy subjected to high temperature annealing and creep deformation

• Autorzy: Dubiel B. , Indyka P. , Kruk A. , Kalemba-Rec I. , Moskalewicz T. , Berent K. , Gajewska M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2016.4.1

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka wydzieleń faz TCP w monokrystalicznym nadstopie CMSX-4 po wysokotemperaturowym wyżarzaniu i pełzaniu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A high temperature exposure of nickel-base single crystal superalloys leads to a formation of topologically close packed (TCP) phases, what can deteriorate their creep strength. Therefore, the aim of the present work was to investigate TCP phases precipitated in CMSX-4 superalloy after a two-step treatment consisting of annealing at temperature of 1100°C followed by a creep deformation at temperature of 900°C. The microstructure of CMSX-4 superalloy exposed to a high temperature was investigated by means of scanning and transmission electron microscopy as well as scanning-transmission electron microscopy in high angle annular dark field mode. The chemical composition in nanoareas was determined using the high spatial resolution and high count rate energy dispersive X-ray spectroscopy. A three-dimensional characterization of the microstructure of annealed and creep tested single crystal superalloy was carried out by means of electron tomography. Results of microstructural investigation have shown that after the application of two-step high temperature exposure the TCP precipitates present in CMSX-4 superalloy are P and μ phases. The most pronounced differences in the chemical composition of the investigated P and μ phase particles are concerned with W and Re content. It was determined that the P phase contains a higher amount of W, while the μ phase is mostly rich in Re.

PL

Monokrystaliczne nadstopy niklu to nowoczesne materiały żarowytrzymałe, zaprojektowane specjalnie do zastosowania na łopatki turbin gazowych. Skład chemiczny tych stopów jest tak dobrany, aby w mikrostrukturze uzyskać około 70% udziału objętościowego wydzieleń fazy γʹ o kształcie sześciennym oraz umocnienie roztworowe osnowy γ. Silny efekt umocnienia zapewniają pierwiastki o dużym promieniu atomowym, takie jak Re, W i Mo, które wolno dyfundują w osnowie Ni. Jednak po długotrwałej pracy w wysokiej temperaturze pierwiastki te sprzyjają wydzielaniu kruchych faz o strukturze topologicznie zwarcie wypełnionej (topologically close packed, TCP). Najczęściej spotykanymi fazami TCP w nadstopach monokrystalicznych są fazy σ, μ, P i R. Ze względu na niewielkie różnice parametrów sieci oraz składu chemicznego identyfikacja tych faz jest skomplikowana i wymaga połączenia komplementarnych technik dyfrakcji elektronów i mikroanalizy składu chemicznego. Celem pracy jest identyfikacja faz TCP w monokrystalicznym nadstopie niklu CMSX-4 po wysokotemperaturowym wyżarzaniu i pełzaniu, określenie ich składu chemicznego oraz kształtu i rozmieszczenia w przestrzeni z wykorzystaniem nowoczesnych metod analitycznej mikroskopii elektronowej i tomografii elektronowej.

Słowa kluczowe

EN

single crystal nickel-base superalloys; annealing; creep; TCP phases

PL

monokrystaliczne nadstopy niklu; wyżarzanie; pełzanie; fazy TCP

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 37, nr 4
• Strony: 150--155
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Dubiel B.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Kraków, Poland

autor

Indyka P.

• Jagiellonian University, Faculty of Chemistry, Kraków, Poland

autor

Kruk A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Kraków, Poland

autor

Kalemba-Rec I.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Kraków, Poland

autor

Moskalewicz T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Kraków, Poland

autor

Berent K.

• AGH University of Science and Technology, Academic Centre for Materials and Nanotechnology, Kraków, Poland

autor

Gajewska M.

• AGH University of Science and Technology, Academic Centre for Materials and Nanotechnology, Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Darolia R., Lahrman D. F., Field R. D.: Formation of topologically closed packed phases in nickel base single crystal superalloys. Superalloys 1998,Champion, USA, September 18th÷22nd (1998) 255÷264.
• [2] Rae C. M. F., Karunaratne M. S. A., Small C. J., Broomfield R. W., Jones C. N., Reed R. C: Topologically close packed phases in an experimental rhenium-containing single crystal superalloy. Superalloys 2000, Warrendale,USA, September 17th÷21st (2000) 767÷776.
• [3] Rae C. M. F., Reed R. C.: The precipitation of topologically close-packed phases in rhenium-containing superalloys. Acta Mater. 49 (2001) 4113÷4125.
• [4] Epishin A., Link T., Klingelhöffer H., Fedelich B., Portella P. D.: Creep damage of single-crystal nickel base superalloys: mechanisms and effect on low cycle fatigue. Materials at High Temperatures 27 (2010) 53÷59.
• [5] Sugui T., Minggang W., Tang L., Benjiang Q., Jun X.: Influence of TCPphase and its morphology on creep properties of single crystal nickel-based superalloys. Materials Science and Engineering A 527 (2010) 5444÷5451.
• [6] Reed R. C.: The Superalloys. Fundamentals and applications. Cambridge University Press (2006).
• [7] Matuszewski K., Rettig R., Matysiak H., Peng Z., Povstugar I., Choi P.,Müller J., Raabe D., Spiecker E., Kurzydłowski K. J., Singer R. F.: Effectof ruthenium on the precipitation of topologically close packed phases in Ni-based superalloys of 3rd and 4th generation. Acta Materialia 95 (2015)274÷283.
• [8] Saunders N., Fahrmann M., Small C. J.: The application of CALPHADcalculations to Ni-based superalloys. Superalloys 2000, Warrendale September17th÷21st (2000) 803÷812.
• [9] Chmiela B., Sozańska M., Rodak K.: Phase identification in nickel-based superalloys using EBSD/SEM and electron diffraction in STEM., Solid State Phenom. 186 (2012) 58÷61.
• [10] Cheng K. Y., Jo C. Y., Jin T., Hu Z. Q.: Precipitation behaviour of μ phase and creep rupture in single crystal superalloy CMSX-4. J. Alloy. Compd.509 (2011) 7078÷7086.
• [11] Choi B. G., Jo C. Y., Hong H. U., Kim I. S., Seo S. M., Kim H. M.: Effect of prestrain on microstructural evolution during thermal exposure of single crystal superalloy CMSX-4. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 21(2011) 1291÷1296.
• [12] Kruk A., Dubiel B., Czyrska-Filemonowicz A.: Examination of chemical elements partitioning between the γ and γʹ phases in CMSX-4 superalloy using EDS microanalysis and electron tomography. MATEC Web of Conferences, EUROSUPERALLOYS 2014, 2nd European symposium on Superalloys and Their Applications: Giens, France, May 12th÷16th (2014)No. 11004 1÷5.
• [13] Parsa A. B., Wollgramm P., Buck H., Samsen C., Kostka A., PovstugarI., Choi P., Raabe D., Dlouhy A., Müller J., Spiecker E., Demtroder K.,Schreuer J., Necking K., Eggeler G.: Advanced scale bridging microstructure analysis of single crystal Ni-base superalloys. Advanced Engineering Materials 179 ( 2015) 216÷230.
• [14] Sun F., Zhang J., Liu P., Feng Q., Han X., Mao S.: High resolution transmission electron microscopy studies of σ phase in Ni-based single crystal superalloys. Journal of Alloys and Compounds 536 (2012) 80÷84.
• [15] Dubiel B., Kalemba-Rec I., Indyka P., Moskalewicz T.: Analytical electron microscopy investigation of topologically close-packed phases inCMSX-4 single crystal superalloy. XXIII CAC 2015 Conference on Applied Crystallography, Krynica-Zdrój, September 20th÷24th (2015) 65÷66.
• [16] Tan X. P., Liu J. L., Jin T., Hu Z. Q., Hong H. U., Choi B. G., Kim I. S.,Jo C. Y.: Intergrowth of P phase with μ phase in a Ru-containing single crystal Ni-based superalloy. Philosophical Magazine Letters 92 (2012)556÷562.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.