The stress-strain state and the microstructure in disk-shaft solid-phase bonds of dissimilar nickel-based alloys

V.A. Valitov1, A.K. Akhunova2, E.V. Galieva2, S.V. Dmitriev3, R.Y. Lutfullin2, M.Y. Zhigalova1
1Institute for Metals Superplasticity Problems, Russian Academy of Sciences, 39 Khalturin str., Ufa 450001, Russia
2Institute for metals superplasticity problems of RAS, 39 Khalturin str., 450001, Ufa, Russia
3Institute for metals superplasticity problems of RAS, 39 Khalturin str., 450001, Ufa, Russia;
Abstract
Finite-element calculations have been carried out to determine the strain distribution formed during welding by a combination of pressure and shear in samples imitating the constituent parts of a "disk-shaft" type gas-turbine engine bimetallic component made of heterophase nickel-based superalloys. A physical simulation of this process has also been carried out. Computer simulations were accomplished using a two-dimensional axysymmetric model by means of DEFORM-2D package. EP975 and EK79 alloys with ultrafine-grained (UFG) structure were chosen as the materials for the disk and shaft, respectively. The initial strain rate was 10-5 s-1, and the welding temperature 1100 °C. The behavior of materials was described by experimental curves obtained for EP975 and EK79 alloys under a uniaxial compression at the welding temperature. According to known experimental data, shear strain near the welded surfaces improves the solid-phase bond quality and strength. Additionally, the solid-phase bond quality is enhanced by grain refinement, which leads to an increase of the area of grain boundaries and to accelerated grain boundary diffusion. The results of computer simulations have revealed that in order to increase the area of regions with large shear strain values one has to increase the displacement of the shaft relative to the disk. From physical simulation, it has been concluded that a high quality solid-phase bond formation is promoted by a small shear strain of EK79 and EP975 alloys with UFG structure under superplasticity conditions. Basing on the studies carried out, a possibility of obtaining a "disk-shaft" type part from EP975 and EK79 nickel alloys with a preliminarily processed UFG structure using solid-phase bonding by means of pressure and shear welding has been shown.
Received: 11 April 2017   Revised: 11 May 2017   Accepted: 16 May 2017
Views: 149   Downloads: 56
References
1.
A. V. Logunov, Yu. N. Shomotin. Science and Technology (2013) 256 p. (in Russian) [А. В. Логунов, Ю. Н. Шмотин Москва: ООО «Наука и технология». 2013. 256 с.]
2.
Tresa M. Pollock. Sammy Tin. J. propul. power. 22 (2006) 361 – 374.
3.
Heather J. Sharpe, Ashok Saxena. Adv. Mat. Res. 278 (2011) 259 – 264.
4.
D. U. Furrer, R. Shankar, C. White. Journal of Metals (JOM-J Met) (2003) 32 – 34.
5.
A. V. Lyushinsky, Ye. V. Nikolich, A. A. Zhloba, S. V. Kharkovsky, A. V. Borovsky, D. S. Karyaka. Welding International, 29 (2015), 394 – 396.
6.
A. A. Shirzadi, E. R. Wallach. Sci. Technol. Weld. Joi. 9 (2004) 37 – 40.
7.
N. P. Wikstrom, A. T. Egbewande, O. A. Ojo. J. Alloy Compd. 460 (2008) 379 – 385.
8.
A. V. Lushinskii Part1. Svarochnoe proizvodstvo (7), 17 – 22 (2016). (in Russian) [А. В Люшинский. Часть 1) // Сварочное Производство, № 7, 2016, с. 17 – 22.]
9.
A. A. Shirzadi and E. R Wallach. Science and Technology of Welding and Joining. 9 (1), 37 – 40 (2004).
10.
Jiakun Liu, Jian Cao, Xingtao Lin, Xiaoguo Song, Jicai Feng. Materials and Design 49 (2013) 622 – 626.
11.
K. B. Povarova, A. A. Drozdov, V. A. Valitov, E. V. Valitova, S. V. Ovsepyan, O. A. Bazyleva. Russian metallurgy (Metally). 2014 (9) 733 – 741 (2014). (in Russian). [К. Б. Поварова, В. А. Валитов, С. В. Овсепян, А. А. Дроздов, О. А. Базылева, Э. В. Валитова Металлы. (5), 61 – 70 (2014).
12.
A. V. Skugoreev, A. N. Afanasiev-Khodykin, A. M. Rogalev, D. S. Lozhkova. Technology of light alloys. (3), 75 – 82 (2016). (in Russian) [А. В. Скугорев, А. Н. Афанасьев-Ходыкин, А. М. Рогалев, Д. С. Ложкова. Технология легких сплавов. 2016, № 3, С. 75 – 82.]
13.
V. I. Lukin, V. S. Rylnikov, O. A. Bazyleva, A. N. Afanasiev-Khodykin. Svarochnoe proizvodstvo. (6), 15 – 18 (2014). (in Russian) [В. И. Лукин, В. С. Рыльников, О. А. Базылева, А. Н. Афанасьев-Ходыкин //Сварочное производство, 2014 г., № 6, C. 15 – 18.]
14.
A. Kh. Akhunova, A. I. Pshenichnyuk, S. V. Dmitriev, A. R. Safiullin, R. V. Safiullin. Russian metallurgy (Metally) (7), 33 – 38 (2013). (in Russian) [А. Х. Ахунова, А. И. Пшеничнюк, С. В. Дмитриев, А. Р. Сафиуллин, Р. В. Сафиуллин. Деформация и разрушение материалов. (7), 33 – 38 (2013).].
15.
A. Kh. Akhunova, E. V. Galieva, K. B. Povarova, O. A. Bazyleva, V. A. Valitov, S. V. Dmitriev, A. A. Drozdov, E. G. Arginbaeva. Fundamentalnye problem sovremennogo materialovedeniya. 13 (1), 131 – 135 (2016). (in Russian) [Ахунова А. Х., Галиева Э. В., Поварова К. Б., Базылева О. А., Валитов В. А., Дмитриев С. В., Дроздов А. А., Аргинбаева Э. Г. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 13 (1), 131 – 135 (2016).].
16.
A. R. Safiullin, R. V. Safiullin, F. F. Safin, A. Kh. Akhunova, S. V. Dmitriev. Perspectivnye materialy. (15), 114 – 118 (2013). (in Russian) [А. Р. Сафиуллин, Р. В. Сафиуллин, Ф. Ф. Сафин, А. Х. Ахунова, С. В. Дмитриев. Перспективные материалы. 15, 114 – 118 (2013).]
17.
S. V. Kishkin Creation, research and application of high-temperature alloys: selected works (To the 100th anniversary of his birth) M. Science. (2006) 407 p. (in Russian) [С. Т. Кишкин Создание, исследование и применение жаропрочных сплавов: избранные труды (К 100‑летию со дня рождения). — М.: Наука, 2006. — 407с.]
18.
A. Kh. Akhunova, E. V. Valitova, S. V. Dmitriev, V. A. Valitov, R. Ya. Lutfullin. Welding International. 30 (6), 488 – 491 (2016).
19.
A. Kh. Akhunova, S. V. Dmitriev, V. A. Valitov, E. V. Valitova. Russian metallurgy (Metally) (11), 13 – 17 (2014). (in Russian) [А. Х. Ахунова, С. В. Дмитриев, В. А. Валитов, Э. В. Валитова Деформация и разрушение материалов. (11), 13 – 17 (2014).].
20.
A. Kh. Akhunova, S. V. Dmitriev, E. V. Valitova, V. A. Valitov. Fundamentalnye problem sovremennogo materialovedeniya. 11 (2), 159 – 162 (2014). (in Russian) [А. Х. Ахунова, С. В. Дмитриев, Э. В. Валитова, В. А. Валитов. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 11 (2), 159 – 162 (2014).]
21.
A. Kh. Akhunova, E. V. Galieva, A. A. Drozdov, E. G. Arginbaeva, S. V. Dmitriev, R. Ya. Lutfullin. Letters on Materials. 6 (3), 210 – 215 (2016). (in Russian) [А. Х. Ахунова, Э. В. Галиева, А. А. Дроздов, Э. Г. Аргинбаева, С. В. Дмитриев, Р. Я. Лутфуллин. Письма о материалах. 6 (3), 210 – 215 (2016).
22.
V. A. Valitov., K. B. Povarova, O. A. Bazyleva, A. A. Drozdov, S. V. Ovsepyan, E. V. Galieva. Materials Science Forum 838 – 839, 523 – 527 (2016).
23.
E. V. Valitova, A. Kh. Akhunova, V. A. Valitov, S. V. Dmitriev, R. Ya. Lutfullin, Letters on Materials. 4 (3), 190 – 194 (2014). (in Russian) [Э. В. Валитова, А. Х. Ахунова, В. А. Валитов, С. В. Дмитриев, Р. Я. Лутфуллин, М. Х. Мухаметрахимов. Письма о материалах. 4 (3), 190 – 194 (2014)].
24.
A. Kh. Akhunova, S. V. Dmitriev, E. V. Galieva, V. A. Valitov. Fundamentalnye problem sovremennogo materialovedeniya. 12 (3), 289 – 292 (2015). (in Russian) [А. Х. Ахунова, С. В. Дмитриев, Э. В. Галиева, В. А. Валитов. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 12 (3), 289 – 292 (2015).]
25.
E. V. Valitova, R. Ya. Lutfullin, M. Kh. Mukhametrakhimov, V. A. Valitov, A. Kh. Akhunova, S. V. Dmitriev. Letters on Materials. 4 (4), 291 – 294 (2014).
26.
I. I. Musabirov, I. M. Safarov, M. I. Nagimov, I. Z. Sharipov, R. R. Mulyukov, V. V. Koledov, A. V. Mashirov, A. I. Rudskoi. Physics of the Solid State. 58 (8), 1605 – 1610 (2016).
27.
I. I. Musabirov, I. M. Safarov, R. R. Mulyukov, I. Z. Sharipov, V. V. Koledov. Letters on Materials. 4 (4), 265 – 268 (2014). (in Russian)
28.
V. I. Lukin, V. G. Kovalchuk, M. L. Samorukov, Yu. M. Gidnev. Vestnik BMSTU 114 – 121 (2011) (In Russian) [В. И. Лукин, В. Г. Ковальчук, М. Л. Саморуков, Ю. М. Гриднев. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. 114 – 121 (2011)]
29.
O. T. Ola, O. A. Ojo, P. Wanjara and M. C. Chaturvedi. Metallurgical and Materials Transactions. 43A (2012), 921 – 933.
30.
W. T. Chandler, A. K. Ghosh and W. M. Mahoney. Journal of Spacecraft and Rockets, 21 (1), 61 – 64, (1984).
31.
V. M. Bichkov, A / S. Selivanov, A. Yu. Medvedev and others. Vestnik USATU 16 (7), 112 – 116 (2012). (In Russian) [В. М. Бычков, А. С. Селиванов, А. Ю. Медведев и др. Вестник УГАГУ. 16 (7), 112 – 116 (2012).]
32.
Patent RF № 2608118, 13.01.2017 (in Russian) [Патент РФ № 2608118, 13.01.2017].