Shock Response of Nickel-Based Superalloys Produced by Forging or Additive Manufacturing
Réponse aux chocs de superalliages base Nickel produits par forgeage ou par fabrication additive
Résumé
Despite the extensive use of Nickel-based superalloys in industry, the dynamic response of thesematerials is still poorly documented. Moreover, many of these alloys are now produced by additivemanufacturing (AM), and the effects of the particular microstructure associated with theseprocesses are still largely unknown. In this context, we studied the dynamic behaviour of twopolycrystalline superalloys, René 65 and Waspaloy, subjected to plate impacts and laser shocks atloading pressures between 5 and 20 GPa for very high strain rates on the order of 106 s-1. Fourmaterials were tested, one forged and three others produced by AM, by Laser Powder Bed Fusion(LPBF) or by Laser Metal Deposition (LMD). For these AM targets, the shock loading wasapplied either parallel or perpendicular to the direction of construction. Prior to testing, themicrostructures of each grade were characterised. The hardening precipitation γ' typical ofsuperalloys is observed in several forms as well as the presence of non-metallic inclusions andporosity, depending on the materials considered. The density and elastic wave propagationvelocities in each material were measured. The impact experiments then allowed the measurementof the Hugoniot elastic limit (compressive strength) and the spall strength (dynamic tension).These results were used to feed a very simple model of the macroscopic behaviour of thesesuperalloys under impact. Post-recovery analyses involving various complementary techniques(electron microscopy, EBSD, X-ray microtomography) demonstrated that damage and fracture(mainly ductile and intragranular, with some intergranular cracks) depend on the manufacturingprocesses. Thus, the remarkable sites of crack initiation, grain boundaries, γ' precipitates or pores,differ according to the different microstructures, themselves strongly conditioned by theseprocesses. These observations were compared with simulations in a representative volume of apolycristal, to qualitatively explore the influences of grain orientation, grain boundaries and poreson the shock propagation and spall process.
En dépit d'une importante utilisation des superalliages à base Nickel dans l'industrie, la réponse en dynamique rapide de ces matériaux est encore très peu documentée. De plus, beaucoup de ces alliages sont maintenant issus de la fabrication additive (FA), et les effets de la microstructure particulière associée à ces procédés sont encore largement méconnus. Dans ce contexte, nous avons étudié le comportement dynamique de deux superalliages polycristallins, le René 65 et le Waspaloy, soumis à des impacts de plaques et à des chocs laser à des pressions de choc comprises entre 5 et 20 GPa pour des vitesses de déformation très élevées de l'ordre de 106 s-1. Quatre nuances ont été testées, une forgée et trois autres issues de la FA, par fusion sur lit de poudre(LPBF) ou par Laser Metal Deposition (LMD). Pour ces cibles FA, le choc a été appliqué soit parallèlement soit perpendiculairement à la direction de construction. Avant les essais, les microstructures de chaque nuance ont été caractérisées. On observe la précipitation durcissante γ' typique des superalliages sous plusieurs formes suivant les matériaux considérés, ainsi que la présence d'inclusions non-métalliques et de porosité. La masse volumique et les vitesses de propagation des ondes élastiques dans chaque matériau ont été mesurées. Les expériences de choc ont ensuite permis la mesure de la limite élastique d'Hugoniot (limite d'élasticité en compression)et de la résistance à l'écaillage (traction dynamique). Ces résultats ont permis d'alimenter un modèle très simple de comportement macroscopique sous choc de ces superalliages. Des analyses post-choc impliquant diverses techniques complémentaires (microscopie électronique, EBSD, microtomographie X) ont montré que l'endommagement et la rupture (principalement ductile et intragranulaire, avec aussi quelques fissures intergranulaires) dépendent des procédés de fabrication. Ainsi, les sites remarquables d’amorçage de fissures, joints de grains, précipités γ' ou pores, diffèrent selon les microstructures étudiées, elles-mêmes fortement conditionnées par ces procédés. Ces observations ont été comparées à des simulations dans un volume représentatif d'un polycristal, pour explorer qualitativement les influences de l'orientation des grains, des joints de grains et des pores sur la propagation du choc et le processus d'écaillage.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)