Hot forming behavior of ni-base superalloys and their modeling

Abstract

Numerical and experimental simulation of engineering materials has been an emerging topic for recent decades. Reliable and efficient numerical simulations are only possible through correct and pragmatic modeling approaches. This Ph.D. work is focused on understanding and modeling the hot forming behavior of polycrystalline superalloys. In other words, this is an attempt to comprehend and model the deformation characteristics and microstructural evolution of these alloys during hot forming. Understanding the hot forming behavior of such alloys is of interest from an industrial perspective due to the fact that the service performance is highly dependent on the final microstructure, while the final microstructure is affected by many processing parameters, such as solutionizing time/temperature, deformation rate/temperature or existence and length of dwell time between processing steps. Within the scope of the current work, a recently developed Allvac 718Plus is studied. The first part of this text addresses the modeling of flow curves obtained through uniaxial hot compression tests at different temperatures and strain rates. The second part is dedicated to the multiscale characterization of the precipitation behavior and the dislocation precipitation interaction in Allvac 718Plus. Apart from uniaxial hot compression tests, stress relaxation tests and various characterization methods such as optical, scanning and transmission electron microscopy are implemented. Understanding the hot forming behavior of such alloys is of interest from an industrial perspective due to the fact that the service performance is highly dependent on the final microstructure, while the final microstructure is affected by many processing parameters, such as solutionizing time/temperature, deformation rate/temperature or existence and length of dwell time between processing steps. Within the scope of the current work, a recently developed Allvac 718Plus is studied. The first part of this text addresses the modeling of flow curves obtained through uniaxial hot compression tests at different temperatures and strain rates. The second part is dedicated to the multiscale characterization of the precipitation behavior and the dislocation precipitation interaction in Allvac 718Plus. Apart from uniaxial hot compression tests, stress relaxation tests and various characterization methods such as optical, scanning and transmission electron microscopy are implemented.

La simulación numérica y experimental de materiales en ingeniería ha sido un tema emergente en las últimas décadas. Las simulaciones numéricas confiables y eficientes son posibles solo con aproximaciones pragmáticas y correctas de modelización. Esta tesis de doctorado se enfoca en comprender y modelizar las características de superaleaciones policristalinas base níquel cuando son sometidas a deformación en caliente. En otras palabras, este es un intento de comprender y modelizar las características de la deformación y la evolución microestructural de estas aleaciones durante su trabajo en caliente. Comprender el comportamiento de conformación en caliente de superaleaciones es interesante desde un punto de vista industrial debido a que el rendimiento de los componentes en servicio es función de la microestructura final y, a su vez, la microestructura final se va afectada por muchos parámetros de procesamiento, por ejemplo, el tiempo / temperatura del tratamiento de solubilización, velocidad/ temperatura de deformación o el tiempo entre las etapas de conformado. Dentro del alcance de este trabajo se estudia una superaleación base níquel de desarrollo reciente, conocida como Allvac 718Plus. La primera parte de esta tesis contiene la modelización de las curvas de fluencia obtenidas a través de los ensayos de compresión en caliente uniaxiales, a diferentes temperaturas y velocidades de deformación. La segunda parte se dedica a la caracterización multi-escala de la precipitación y su dependencia del tiempo y de la deformación aplicada. Finalmente, se describe la interacción entre dislocaciones y precipitados. Aparte de los ensayos de compresión en caliente, también se realizaron ensayos de relajación post-deformación en caliente. Asimismo, se utilizaron diversos métodos de caracterización microestructural, como microscopía óptica y electrónica de barrido y de transmisión, a fin de comprender los mecanismos que gobiernan el comportamiento de la aleación.