Hierarchical microstructure design and cast processing route of a modified TNM gamma TiAl alloy

Abstract

Gamma titanium aluminides following the β-solidifying pathway, are intermetallic alloys that have the potential to replace heavier materials in high temperature structural applications, such as aerospace and aeronautics. They meet the requirements for being used in the newly designed turbines that have to withstand higher demanding conditions, allowing improved efficiency, as well as pollution and noise reduction. Indeed, γ-TiAl are an attractive option to replace Ni-base superalloys due to their lower density, good mechanical properties at elevated temperatures and good oxidation resistance. Among them, the third generation of γ-TiAl alloy TNM is a promising candidate for utilization in the low-pressure turbines (LPT) of aircraft. However, its manufacturing route is time-consuming, involving casting/HIPing plus forging and multiple HT to achieve the required properties. In this regard, alloying elements play a key role in this process, hence boron is often added to refine the grain size in order to improve mechanical properties. However, the formation mechanism of the different types of borides in cast TiAl alloys is not yet clearly understood. In light of this gap, this study seeks to design a modified TNM alloy with superior properties and define a suitable processing window. This was accomplished by designing a simplified processing route and correlating the chemical composition and solidification cooling rate of cast TiAl alloys, with the type of boride precipitated and the resulting microstructure. The study reveals that simpler processing namely casting/HIPing plus a single-step heat treatment achieve a microstructure appropriate for structural applications. Regarding microstructure developing, the work also shows that boron contents below a critical value and cooling rates during solidification above a key value promote the formation of detrimental ribbon borides. While boron contents above a critical value and cooling rates during solidification below a key value promote the formation of a refined microstructure through the precipitation of the beneficial boride. Finally, a novel integrated HIP-heat-treatment processing route is presented to achieve an optimized creep resistance modified TNM alloy.

Gamma familiako titaniozko aluminioak, beta bidez solidotzen direnak, tenperatura altuetan erabiltzen diren material astunagoak ordezkatzeko ahalmena dituzte, batez ere aplikazio aeroespazialan eta aeronautikan ere. Diseinu berriko turbinen baldintza zorrotzak jasatzen dituzte, eta horrek eraginkortasuna hobetzea eta kutsadura eta baita zarata murriztea ahalbidetzen du. Izan ere, γ-TiAl aleazioak Ni oinarriko superaleazioak ordezkatzeko aukera erakargarria izan daitezke, dentsitate txikiagoa dutelako, tenperatura altuetan dituzten propietate mekaniko onengatik eta oxidazioarekiko erresistentzia ona dutelako. Horien artean, TNM azpiklaseko γ-TiAl aleazioaren hirugarren belaunaldia, hegazkinetako presio baxuko turbinetan (LPT) erabiltzeko etorkizun handiko hautagaia da. Hala ere, bere fabrikazio ibilbidea luzea eta garestia da (galdaketa, HIP eta forjaketa prozesuak baitakartz). Gainera, beharrezko propietateak lortzeko tratamendu termiko ugari ere beharko ditu. Aleazio elementuei dagokienez, Boroa gehitu ohi da, boruro egokia osatzen bada alearen tamaina finagoa egin daiteke, honela, propietate mekanikoak hobetuz. Hala ere, galdatutako TiAl-aleazioetan boruro mota ezberdinak sortzeko mekanismoa oraindik ez dago argi. Beraz, ikerketa honen helburua propietate hobeagoak dituen TNM aleazio berezi bat diseinatzea da, baita material horren prozesamendu-leiho egokia definitzea. Horretarako, lehendabizi, erraztutako prozesatze ibilbide bat diseinatu da eta ondoren, konposizio kimikoa eta solidotze-abiadura erlazionatu dira osatutako boruro motarekin eta lortutako mikroegiturarekin. Ikerketaren arabera, prozesamendu sinpleago batek, non galdaketa eta tratamendu termikoa integratuta duen HIP prozesua, mikroegitura egokia sortzea lortzen du. Mikroegituraren garapenari dagokionez, ikerketak agerian uzten du nola boroko edukia balio kritiko batetik behera izanik eta balio kritiko batetik gorako solidotze-abiadurak boruro kaltegarrien kateak sortzea sustatzen dituela. Aldi berean, balio kritiko baten gainetik dauden boro-edukiek eta solidotze-abiadura kritiko baten azpitik ari diren aleazioak, boruro onuragarria sustatzen dute eta beraz mikroegitura hobeagoa lortzen da. Azkenik, TiAl-aleazioetarako tratamendu termikoa integratuta duen HIP prosezu berri bat aurkezten da, TNM aleazio berritzaile eta optimizatu bat lortu ahal izateko.

Los aluminuros de titanio que solidifican mediante la via β, son aleaciones intermetálicas que tienen el potencial de sustituir a materiales más pesados en aplicaciones estructurales de alta temperatura. Cumplen los requisitos de las nuevas turbinas que deben soportar condiciones más exigentes, lo que permite aumentar la eficiencia, así como reducir la contaminación y el ruido. De hecho, las aleaciones γ-TiAl representan una opción atractiva para sustituir a las superaleaciones de base níquel debido a su menor densidad, sus buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas y su elevada resistencia frente a la oxidación. De entre ellas, la aleación TNM destaca por su potencial para ser empleada en los álabes de la turbina de baja presión de los aviones. Sin embargo, la ruta convencional para su fabricación es larga y costosa, ya que conlleva los procesos de fundición, HIP y forjado, así como múltiples tratamientos térmicos para lograr las propiedades requeridas. En este sentido, los elementos de aleación juegan un papel clave en este proceso, es por ello que el boro se suele añadir para afinar el tamaño del grano, con el fin de mejorar las propiedades mecánicas. Sin embargo, dependiendo de las condiciones del proceso, así como de la aleación, el tipo de boruro formado es diferente. Dada la complejidad del mecanismo de formación de los diferentes tipos de boruros en las aleaciones de TiAl fundidas, aún no se conoce con claridad bajo qué condiciones se forman cada uno de ellos. En consecuencia, este estudio pretende diseñar una aleación TNM con unas propiedades mecánicas mejoradas, mediante el ajuste de los parámetros de proceso clave. Para ello se ha simplificado la ruta de fabricación, a la vez que se ha correlación la composición química y la velocidad de solidificación con el tipo de boruro precipitado y la microestructura resultante. El estudio revela que una ruta de fabricación más sencilla, a través de los procesos de fundición, HIP y tratamiento térmico monoetapa, permiten obtener una microestructura adecuada para aplicaciones estructurales. En cuanto al desarrollo de la microestructura, el estudio muestra que un contenido en boro inferior a un valor crítico y una velocidad de enfriamiento durante la solidificación por encima de un valor crítico, conllevan la formación de cadenas de boruros denominados “ribbon”, perjudiciales para las propiedades mecánicas. Mientras que un contenido en boro superior a un valor crítico y una velocidad de enfriamiento durante la solidificación inferior a un valor crítico, potencian el afinamiento de la microestructura, a través de la precipitación homogénea de boruros denominados “blocky”. Por último, se presenta una nueva ruta de fabricación que de forma integrada combina el ciclo de HIP y de tratamiento térmico, con el fin de conseguir una aleación TNM optimizada.