Near net shape hip (NNS-HIP) process optimization for nickel-base superalloys for aerospace applications

Resumen

Las zonas más calientes de las turbinas de los aviones están compuestas de superaleaciones base níquel por tener unas propiedades mecánicas excelentes a altas temperaturas. Ahora hay una tendencia por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Esto requiere de una mejora continua en la eficiencia de los motores, la cual está relacionada con la temperatura de operación del motor. Por ello, hay una constante demanda para desarrollar nuevos materiales capaces de aguantar mayores temperaturas. El Astroloy se presenta como una alternativa al Inconel 718 ya que es capaz de operar a mayores temperaturas, aumentando la eficiencia del motor. Pero este no puede ser fabricado por rutas convencionales debido a la alta segregación que sufre. El prensado isostático en caliente cercano a la forma final (NNSHIP) de la metalurgia de polvos aparece como una ruta de fabricación alternativa. El mayor problema de la ruta HIP para superaleaciones base níquel es la obtención de las propiedades mecánicas requeridas por la industria aeronáutica. Esta tiene varios problemas, el primero la formación de límites de partícula originales (PPBs), la presencia de partículas cerámicas y la porosidad inducida térmicamente (TIPs). Por ello, esta tesis se centra en el estudio, análisis, caracterización y optimización de los diferentes parámetros que afectan al proceso de HIP+HT del Astroloy mediante metalurgia de polvos para obtener la microestructura y propiedades mecánicas demandas por la industria aeronáutica. En primer lugar, se investigó el efecto de las características del polvo inicial en la microestructura y propiedades mecánicas del material, para ello se analizaron 4 polvos diferentes y 3 fracciones de uno de ellos. El objetivo de este estudio es determinar cuáles son las características optimas que debe tener el polvo de partida para piezas de Astroloy fabricadas por HIP, con el mismo HIP+HT. Segundo, se estudió el efecto de diferentes tratamientos térmicos (HTs) sobre la microestructura y propiedades mecánicas de piezas de Astroloy HIPpeadas. El objetivo de este estudio es reducir el largo tratamiento térmico estándar del Astroloy, para que los costes de producción se puedan reducir sin afectar a las propiedades mecánicas. Tercero, tras la optimización de los tratamientos térmicos, el efecto de la masa térmica en la velocidad de enfriamiento tras solución y su efecto en las propiedades mecánicas de grandes componentes fueron evaluados. También, el efecto que produce la sucesiva aplicación de tratamientos térmicos en los mismos componentes fue analizada en función de la dureza. Además, el efecto de la masa térmica fuera analizado en dos muestras de dimensiones muy diferentes (latas y cubos) y dos tratamientos térmicos diferentes (A y B). El objetivo de este estudio es revelar la importancia de mantener una microestructura homogénea para el Astroloy, especialmente en largos componentes. Cuarto, el efecto de la exposición en la microestructura y propiedades mecánicas del material fueron evaluados, en comparación a las no expuestas. El objetivo de este estudio es evaluar los cambios microestructurales y cuantificar la degradación de propiedades mecánicas con la exposición. Finalmente, las propiedades mecánicas de los componentes fueron evaluadas y el Astroloy fue sometido a pruebas de certificación NADCAP. El objetivo de este estudio es generar una base de datos de las propiedades mecánicas del material para su diseño y comprobar los fallos que pueden ocasionar problemas en el desempeño del material. Para ello, diferentes propiedades mecánicas fueron evaluadas y las superficies de fractura de las muestras que daban resultados menores a los esperados fueron analizadas. En conclusión, en esta tesis se ha optimizado la ruta de fabricación de componentes de Astroloy fabricados mediante HIP y posteriores tratamientos térmicos y evaluado la degradación con el tiempo, para poder obtener el certificado NADCAP y ser utilizado en aeronáutica.