Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός με τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας υπερκραμάτων νικελίου

Abstract

This doctoral thesis examines in detail the micro- and nanostructure while evaluating the mechanical behaviour of a recently-developed Ni-based superalloy, namely Haynes® 282®, after being subjected to heat treatments, which aim to meet the challenges arising from the ever-increasing demands of the aerospace and power production industries. Considering the alloy’s long-term exposure to Advanced Ultra-Supercritical (A-USC) operating conditions, 2 aspects were thoroughly investigated; the alloy’s thermal stability and the design of alternative simplified heat treatments based on the modification of the Standard Full Heat Treatment (SFHT) proposed by Haynes International, that would result in an enhanced strengthening behaviour. More specifically, Haynes® 282® was subjected to the SFHT, encompassing a solution and 2-stage ageing treatments in order to characterize the micro- and nanostructure, assess the attained mechanical properties, and hence, determine the effect of each heat treatment step. Subsequently, thermal stability tests were performed by subjecting Haynes® 282® to overageing treatments for 100, 500, and 1000 hours at 788°C; the standard second ageing step's temperature, which also falls in the alloy’s operating temperature range. At the same time, the modification of the solution step of SFHT was examined, particularly by altering the cooling rate, in order to determine the effect on the alloy’s nanostructural features and mechanical behaviour. Finally, the modification of the standard ageing conditions was tested, aiming to identify a single-step ageing process that is appropriate for steam boiler applications and, at the same time, less time-consuming and economically competitive while also improving the mechanical properties of conventionally heat-treated Haynes® 282®. The Haynes® 282® micro- and nanostructural characterization, following the overageing and alternative heat treatments, was performed utilizing Scanning and Transmission Electron Microscopy coupled with Energy Dispersive and Electron Energy Loss Spectroscopy, as well as X-Ray Diffraction techniques. The correlation of the alloy’s microstructural evolution with the attained mechanical properties was conducted, employing hardness and uniaxial tensile tests at ambient temperature. Through in-depth characterization of the microstructural evolution, diffusion, phase transformation and precipitation phenomena, significantly affecting the alloy’s microstructural stability during prolonged exposure at elevated temperatures were identified and reported for the first time, providing significant insight into a subject not adequately addressed to date. In addition, the modification of SFHT yielded encouraging results, identifying the optimal parameters of the single-step ageing treatment through which a 50% reduction in the total treatment duration is achieved while retaining and/or maximizing the alloy’s mechanical strength and ductility.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά λεπτομερώς τη μικρο- και νανοδομή και αξιολογεί τη μηχανική συμπεριφορά του πρόσφατα αναπτυγμένου υπερκράματος Ni Haynes® 282®, κατόπιν υποβολής του σε θερμικές κατεργασίες που αποσκοπούν στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που προκύπτουν από τις ολοένα αυξανόμενες ανάγκες της αεροναυπηγικής βιομηχανίας και της βιομηχανίας παραγωγής ενέργειας. Με γνώμονα την ανάπτυξη του κράματος για παρατεταμένη έκθεση σε υπερκρίσιμες συνθήκες λειτουργίας (Advanced Ultra-Supercritical conditions, A-USC), αφενός αξιολογήθηκε η θερμική του σταθερότητα και αφετέρου, σχεδιάστηκαν εναλλακτικές θερμικές κατεργασίες, μέσω κατάλληλης τροποποίησης της πρότυπης θερμικής κατεργασίας που ορίζει η κατασκευάστρια εταιρεία Haynes International. Πιο συγκεκριμένα, το κράμα υπεβλήθη, αρχικά, στην πρότυπη θερμική κατεργασία ομογενοποίησης και γήρανσης 2 σταδίων, ώστε να πραγματοποιηθεί ο πλήρης χαρακτηρισμός της μικρο- και νανοδομής, καθώς και των μηχανικών του ιδιοτήτων και να προσδιοριστεί η επίδραση του εκάστοτε σταδίου της θερμικής κατεργασίας στη διαμόρφωση των ανωτέρω. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές θερμικής σταθερότητας, μέσω υποβολής του Haynes® 282® σε υπεργηράνσεις 100, 500 και 1000 ωρών στη θερμοκρασία των 788°C, η οποία αποτελεί τη θερμοκρασία του δεύτερου σταδίου γήρανσης της πρότυπης κατεργασίας κι επίσης, εμπίπτει στο θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας του κράματος στις προαναφερθείσες εφαρμογές. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η τροποποίηση του πρότυπου σταδίου της ομογενοποίησης και συγκεκριμένα, η μεταβολή του ρυθμού απόψυξης, ώστε να προσδιοριστεί η επίδρασή του στη διαμόρφωση της νανοδομής και της μηχανικής συμπεριφοράς του κράματος. Τέλος, διενεργήθηκε τροποποίηση των πρότυπων συνθηκών γήρανσης, μέσω αντικατάστασης των δύο σταδίων, από ένα μόνο, με στόχο το σχεδιασμό μιας νέας, απλούστερης, λιγότερο χρονοβόρας και ταυτόχρονα, οικονομικότερης θερμικής κατεργασίας, η οποία όχι μόνο δύναται να βελτιστοποιήσει την παραγωγική διαδικασία σύνθετων και ευμεγεθών εξαρτημάτων, αλλά και εν δυνάμει να βελτιώσει τις ιδιότητες του κράματος, εδραιώνοντάς το ως το πλέον κατάλληλο υλικό για εφαρμογή στη βιομηχανία παραγωγής ενέργειας. Η επίδραση των ανωτέρω θερμικών κατεργασιών στην εξέλιξη της μικρο- και νανοδομής του H282 προσδιορίστηκε μέσω τεχνικών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης και Διερχόμενης Δέσμης Ηλεκτρονίων, σε συνδυασμό με μεθόδους Φασματοσκοπίας Ακτίνων Χ Διασποράς Ενέργειας και Απώλειας Ενέργειας Ηλεκτρονίων, καθώς και Περιθλασιμετρίας Ακτίνων Χ. Η συσχέτιση των μικροδομικών χαρακτηριστικών με τη μηχανική απόκριση του κράματος κατέστη δυνατή, πραγματοποιώντας δοκιμές σκληρομέτρησης και μονοαξονικής εφελκυστικής καταπόνησης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μέσω της διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, εντοπίστηκαν και ερμηνεύθηκαν για πρώτη φορά φαινόμενα διάχυσης, μετασχηματισμοί φάσεων και αντιδράσεις κατακρήμνισης, με σημαντική επίδραση στις ιδιότητες που καθιστούν το H282 κατάλληλο για παρατεταμένη έκθεση σε απαιτητικές συνθήκες λειτουργίας. Επιπλέον, η παραμετροποίηση της πρότυπης θερμικής κατεργασίας επέφερε θετικά αποτελέσματα, προσδιορίζοντας τις βέλτιστες συνθήκες μέσω των οποίων επιτυγχάνεται 50% μείωση του συνολικού χρόνου της κατεργασίας και ταυτόχρονα, κατάλληλη διαμόρφωση της μικρο- και νανοδομής του H282, ώστε οι μηχανικές ιδιότητές του να διατηρούνται αμετάβλητες ή/και να βελτιώνονται.