Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Understanding the effect of temperature and time on Gamma prime coarsening for Nickel-base superalloy Haynes 282
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Materials Science and Engineering. (Material Design)
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Haynes 282 is a gamma prime (𝛾′)-strengthened nickel base superalloy developed in 2005, exhibiting a good combination of high temperature properties and fabricability. Microstructural features such as 𝛾′ and carbides play an important role in deriving the mechanical properties of the alloy during heat treatment. As Haynes 282 is a relatively new alloy with insufficient literature availability, the present thesis is aimed at studying the evolution of microstructure for different heat treatment times and temperature with a special focus on 𝛾′ phase precipitation kinetics with different initial conditions for the material. The study is divided into two sections with objectives which are focused on the different ends to the heat-treatment time scales.

The first objective of this study was to investigate γ' precipitation at short heat treatment times and develop Time-Temperature Precipitation (TTP) and Hardness (TTH) diagrams for Haynes 282 using a novel arc heat treatment. In this technique, a steady state temperature gradient, covering room temperature to liquidus, was created using stationary TIG arc on a disc mounted on a water-cooled chamber. Aged and solutionized samples were arc heat treated for 1.5 minutes, 30 minutes and 4 hours. The study was complemented with temperature modelling, thermodynamic calculations, and 𝛾′ precipitation simulation. A unique graded microstructure formed, consisting of dendritic region in fusion zone; dissolution area of all phases including MC carbides, grain boundary carbides, and 𝛾′; grain boundary carbide zone, 𝛾′ band; and base metal. 𝛾′ precipitate size increased with increasing time and temperature. 𝛾′ precipitation simulation model was developed, and it showed very good agreement with experimental results. Finally, the results were summarized in TTH and TTP diagrams.

The second objective in this work was to study understand the coarsening behaviour of 𝛾′ phase with an initial pre-heat-treated GKN heat treatment using furnace heat treatment. Isothermal heat treatments for temperatures from 800°C to 1120°C and times from 30 seconds to 96 hours were performed. Morphological changes in 𝛾′ phase, particle size distribution, grain sizes and hardness on these isothermal heat-treated states are presented in this work. Additionally, A TC PRISMA precipitation model was evaluated to predict 𝛾′sizes and compare it with the measurements. It was concluded that complex initial microstructure, containing bimodal distribution of 𝛾′ precipitates, caused deviations between predicted and measured values, while the model, in the previous objective, predicted the sizes in close approximation to the experimental values. Therefore, further understanding and development of precipitation kinetics with the software should be done to achieve closer results to the experiment.

Abstract [sv]

Haynes 282 är ett gamma prime (𝛾′) - förstärkt superlegering av nickelbas som utvecklades 2005 och uppvisar en god kombination av högtemperaturegenskaper och tygbarhet. Mikrostrukturella egenskaper såsom 𝛾′ och karbider spelar en viktig roll för att få de mekaniska egenskaperna hos legeringen under värmebehandling. Eftersom Haynes 282 är en relativt ny legering med otillräcklig litteraturtillgänglighet syftar den aktuella avhandlingen till att studera utvecklingen av mikrostruktur för olika värmebehandlingstider och temperatur med ett särskilt fokus på 𝛾′ fasutfällningskinetik med olika initiala förhållanden för materialet. Studien är uppdelad i två sektioner med mål som är inriktade på de olika ändarna på värmebehandlings tidsskalorna.

Det första syftet med denna studie var att undersöka 𝛾′nederbörd vid korta värmebehandlingstider och utveckla Time-Temperature Precipitation (TTP) och Hardness (TTH) diagram för Haynes 282 med användning av en ny bågvärmebehandling. I denna teknik skapades en jämn temperaturgradient, som täcker rumstemperatur till liquidus, med användning av stationär TIG-båge på en skiva monterad på en vattenkyld kammare. Åldriga och lösningsbara prover bågvärmebehandlades under 1,5 minuter, 30 minuter och 4 timmar. Studien kompletterades med temperaturmodellering, termodynamiska beräkningar och 𝛾′utfällningssimulering. En unik graderad mikrostruktur bildad, bestående av dendritisk region i fusionszon; upplösningsområde för alla faser inklusive MC-karbider, korngränsande karbider och 𝛾′; korngränsen karbidzon, 𝛾′ band; och oädel metall. 𝛾′utfällningsstorlek ökade med ökande tid och temperatur. 𝛾′utfällningssimuleringsmodell utvecklades, och den visade mycket bra överensstämmelse med experimentella resultat. Slutligen sammanfattades resultaten i TTH- och TTP-diagram.

Det andra syftet med detta arbete var att studera förstå det förgrovning beteendemönster hos 𝛾′ fasen med en initial förvärmebehandlad GKN-värmebehandling med ugnsvärmebehandling. Isotermiska värmebehandlingar för temperaturer från 800 ° C till 1120 ° C och gånger från 30 sekunder till 96 timmar utfördes. Morfologiska förändringar i 𝛾′fasen, partikelstorleksfördelning, kornstorlekar och hårdhet på dessa isotermiska värmebehandlade tillstånd presenteras i detta arbete. Dessutom utvärderades en TC PRISMA-nederbördsmodell för att förutsäga 𝛾′ storlekar och jämföra den med mätningarna. Det drogs slutsatsen att komplex initial mikrostruktur, innehållande bimodal fördelning av 𝛾′-fällningar, orsakade avvikelser mellan förutspådda och uppmätta värden, medan modellen i det tidigare målet förutspådde storleken i nära anpassning till experimentvärdena. Därför bör ytterligare förståelse och utveckling av utfällningskinetik med programvaran göras för att uppnå närmare resultat till experimentet.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 71
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:627
Keywords [en]
Haynes 282, gamma prime (𝛾′), Arc-heat treatment, COMSOL modelling, isothermal transformation, coarsening, Thermo-Calc simulations
National Category
Materials Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-259774OAI: oai:DiVA.org:kth-259774DiVA, id: diva2:1353480
External cooperation
GKN Aerospace Sweden AB
Subject / course
Materials Design and Engineering
Educational program
Master of Science - Engineering Materials Science
Presentation
2019-09-13, Brinell, Brinellvägen 23, SE-100 44, Stockholm, 15:30 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-09-24 Created: 2019-09-23 Last updated: 2019-09-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4456 kB)35 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 4456 kBChecksum SHA-512
66e380f2a0e95cc82361d941b9962ca7177a09512d06a6524a4ea880f3e21b7128275dca7ed276410741724153f4e6b09891f9425d94bb8201beb74ca93dfb74
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Materials Science and Engineering
Materials Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 35 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 135 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf