Published October 30, 2023 | Version v1
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Investigation of the microstructure of single-crystal nickel-based-superalloys under directional solidification

Description

Nickel-based superalloys are mainly used in the turbines of aircraft engines because of their excellent high-temperature properties. Due to the partially very high temperature loads, directionally or single-crystalline solidified turbine blades are used, which are produced by the Bridgman-process. The alloys consist of multi-component systems with more than ten alloying elements, resulting in a dendritic microstructure under industrial process conditions during the solidification process. The microstructure consists of γ-dendrites, γ/γ'-eutectics and γ'-precipitates. In carbon-containing alloys, additional carbides form in the interdendritic region. In the case of unfavourable alloy compositions or process parameters, solidification defects also form, which lead to a decrease in mechanical strength. In this work, defects on the microstructure scale, which deviate from the crystal orientation of the single crystal, are characterised. The influence of different cooling rates on carbon-free as well as carbon-containing alloys is investigated. In addition to the castings using the Bridgman technique under industrial conditions, quenching tests are also carried out to analyse the mushy zone. In order to understand the nucleation and growth of the misoriented components, the formation temperatures, area fractions, morphologies, chemical composition and crystal orientation of the microstructure components are determined. In the industry round molds are generally used to produce directionally solidified or single crystal components. Due to the shadow effect, it is confirmed that there is a higher freckle tendency on the opposite side to the heater, as a larger mushy zone is created in this area due to the lower heating and cooling performance. Additionally, it has been proved that a larger mold leads to a lower temperature gradient and consequently to a higher freckle formation. Within the scope of this work, it was found that γ/γ'-structures form homogeneously from the residual melt at certain process parameters and alloy composition. Furthermore misoriented γ/γ' can also form by closure of residual melt in chinese-script shaped carbides. If the carbide is open in the growth direction, these can also expand into the interdendritic region. Eutectics can also nucleate on these misoriented phases and consequently have a different crystal orientation compared to the single crystal. Furthermore, it was confirmed that eutectics can assume a random crystal orientation due to homogeneous nucleation in the residual melt. In carbon-containing alloys, eutectics also nucleate at low surface-to-volume ratios of carbides on these intermetallic phases. This occurs due to the accumulation of eutecticforming elements around the carbide, resulting in undercooling that overcomes the different lattice parameter of these two phases.

Abstract (German)

Nickelbasis-Superlegierungen werden wegen der hervorragenden Hochtemperatureigenschaften vor allem in den Turbinen von Flugzeugtriebwerken verwendet. Aufgrund der teilweise sehr hohen Temperaturbelastungen werden gerichtet oder einkristallin erstarrte Turbinenschaufeln eingesetzt, die nach dem Bridgman-Verfahren hergestellt werden. Die Legierungen bestehen aus Mehrkomponentensystemen mit mehr als zehn Legierungselementen, wodurch bei dem Erstarrungsprozess ein dendritisches Gef#Latin Small Letter U With Diaeresis#ge unter industriellen Prozessbedingungen entsteht. Das Mikrogef#Latin Small Letter U With Diaeresis#ge besteht aus #gamma#-Dendriten, #gamma#/#gamma##Left Single Quotation Mark#-Eutektika und #gamma##Left Single Quotation Mark#-Ausscheidungen. Bei C-haltigen Legierungen bilden sich im interdendritischen Bereich zus#Latin Small Letter A With Diaeresis#tzlich Karbide. Bei ung#Latin Small Letter U With Diaeresis#nstigen Legierungszusammensetzungen oder Prozessparametern bilden sich auch Erstarrungsdefekte, die zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit f#Latin Small Letter U With Diaeresis#hren. In dieser Arbeit werden Defekte auf Mikrostrukturebene, die von der Kristallorientierung des Einkristalls abweichen, charakterisiert. Dabei wird der Einfluss von verschiedenen Abk#Latin Small Letter U With Diaeresis#hlraten auf C-freie als auch C-haltige Legierungen untersucht. Zus#Latin Small Letter A With Diaeresis#tzlich zu den Abg#Latin Small Letter U With Diaeresis#ssen mit dem Bridgman-Prinzip unter Industriebedingungen werden auch Abschreckversuche zur Analyse der Mushy-Zone durchgef#Latin Small Letter U With Diaeresis#hrt. Um die Keimbildung und das Wachstum der misorientierten Bestandteile zu verstehen, werden die Bildungstemperaturen, die Fl#Latin Small Letter A With Diaeresis#chenanteile, die Morphologien, die chemische Zusammensetzung und die Kristallorientierung der Mikrostrukturbestandteile bestimmt. In der Industrie werden in der Regel runde Formschalen zur Herstellung von gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteilen verwendet. Aufgrund des Schatteneffektes wird best#Latin Small Letter A With Diaeresis#tigt, dass es bei dieser Schalengeometrie zu einer h#Latin Small Letter O With Diaeresis#heren Frecklesneigung auf der heizerabgewandten Seite kommt, da aufgrund der geringeren Heiz- und K#Latin Small Letter U With Diaeresis#hlleistung in diesem Bereich eine gr#Latin Small Letter O With Diaeresis##Latin Small Letter Sharp S#ere Mushy-Zone entsteht. Es wird auch bewiesen, dass eine gr#Latin Small Letter O With Diaeresis##Latin Small Letter Sharp S#ere Formschale zu einem geringen Temperaturgradienten und folglich zu einer h#Latin Small Letter O With Diaeresis#heren Frecklesbildung f#Latin Small Letter U With Diaeresis#hrt. Im Rahmen dieser Arbeit wird festgestellt, dass sich #gamma#/#gamma##Left Single Quotation Mark#-Strukturen homogen aus der Restschmelze bei bestimmten Prozessparametern und Legierungszusammensetzung bilden. Des Weiteren entstehen anders orientierte #gamma#/#gamma##Left Single Quotation Mark#-Bereiche auch durch einen Abschluss von Restschmelze in chinesen-schriftf#Latin Small Letter O With Diaeresis#rmigen Karbiden. Diese k#Latin Small Letter O With Diaeresis#nnen sich, wenn das Karbid in Wachstumsrichtung offen ist, auch in den interdendritischen Bereich ausbreiten. An diese misorientierten Phasen k#Latin Small Letter O With Diaeresis#nnen auch Eutektika ankeimen und folglich eine unterschiedliche Kristallorientierung gegen#Latin Small Letter U With Diaeresis#ber dem Einkristall besitzen. Dar#Latin Small Letter U With Diaeresis#ber hinaus wird best#Latin Small Letter A With Diaeresis#tigt, dass Eutektikum aufgrund homogener Keimbildung in der Restschmelze eine zuf#Latin Small Letter A With Diaeresis#llige Kristallorientierung annehmen kann. In C-haltigen Legierungen keimen Eutektika bei niedrigen Oberfl#Latin Small Letter A With Diaeresis#chen/Volumen-Verh#Latin Small Letter A With Diaeresis#ltnissen von Karbiden auch an diesen intermetallischen Phasen an. Dies erfolgt aufgrund der Anreicherung von eutektikumbildenden Elementen um das Karbid, was zu einer Unterk#Latin Small Letter U With Diaeresis#hlung f#Latin Small Letter U With Diaeresis#hrt, die den unterschiedlichen Gitterfehler dieser beiden Phasen #Latin Small Letter U With Diaeresis#berwindet.

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Original title (German)
Untersuchung der Mikrostruktur von einkristallinen Nickelbasis-Superlegierungen bei gerichteter Erstarrung

Publishing Information

ISBN
978-3-944601-26-7
Imprint Pagination
199 p.
Journal Title
Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung / Gie#Latin Small Letter Sharp S#erei-Institut der RWTH Aachen
Journal Volume
37
Series
Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung / Gie#Latin Small Letter Sharp S#erei-Institut der RWTH Aachen
Report number
INIS-DE--4715