Microstructure and phase composition of ZHS32 superalloy after selective laser melting, vacuum heat treatment and hot isostatic pressing

A.V. Zavodov1, N.V. Petrushin1, D.V. Zaitsev1
1Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials" (FSUE "VIAM") 17, Radio Street, Moscow
Abstract
Using transmission electron microscopy (TEM) method, the microstructure and phase composition of nickel based superalloy 
ZHS32 processed by selective laser melting (SLM) of a powder composition on a monocrystalline substrate and their evolution 
during heat treatment (HT) and hot isostatic pressing (HIP) by different regimes have been studied. Microstructure of ZHS32 alloy after SLM subjected T2 (a) and T1 (b) vacuum heat treatment is shown on the figure.Using transmission electron microscopy (TEM) method, the microstructure and phase composition of nickel based superalloy ZHS32 processed by selective laser melting (SLM) of a powder composition on a monocrystalline substrate and their evolution during heat treatment (HT) and hot isostatic pressing (HIP) by different regimes have been studied. Particular features of the microstructure formed during SLM, the distribution of chemical elements in cells and their boundaries have been explored. It has been established that the material after SLM has a unidirectional heterophase cell structure consisting of the matrix γ- solid solution, nanosized γʹ- phase particles and a fine carbide phase at the cell boundaries. The influence of the HT and HIP temperature on the morphology and sizes of γʹ- phase particles, the distribution of alloying elements between γʹ- and γ- phases, the evolution of chemical composition, the type, size and distribution of carbide precipitates in the volume and boundaries of the cells after SLM have been studied. It has been shown that the alloy contains fine (Ta, Nb)C carbides with sizes up to 150 nm and carbides with sizes up to 1 µm, and (W, Cr) based carbides of the same sizes as well. The HIP process led to a formation of stacking faults on the phase boundaries between the γ- matrix and carbides. HT and HIP of SLM processed alloy ZHS32 has been shown to allow for obtaining a microstructure and phase composition typical for the single crystal alloy.
Received: 15 February 2017   Revised: 24 March 2017   Accepted: 28 March 2017
Views: 193   Downloads: 54
References
1.
Кишкин С. Т., Каблов Е. Н. Литейные жаропрочные сплавы для турбинных лопаток // В сб. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932 – 2002. М.: ВИАМ. 2002. С. 48−58.
2.
Петрушин Н. В., Висик Е. М., Горбовец М. А., Назаркин Р. М. Структурно-фазовые характеристики и механические свойства монокристаллов жаропрочных никелевых ренийсодержащих сплавов с интерметаллидно-карбидным упрочнением // Металлы. 2016. № 4. С. 57 – 70.
3.
Каблов Е. Н., Светлов И. Л., Петрушин Н. В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой (часть II) // Материаловедение. 1997. № 5. С. 14−17.
4.
Пигрова Г. Д., Рыбников А. И. Карбидные фазы в сплаве ЖС-32 // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 12 (702). С. 21−23. (Pigrova G. D. Rybnikov A. I. Carbide Phases in Alloy ZhS-32. Metal Science and Heat Treatment. 2014, Vol. 55, 11. P. 658 – 659.)
5.
Каблов Е. Н. Физико-химические и технологические особенности создания жаропрочных сплавов, содержащих рений //Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. 2005. Т. 46. № 3. С. 155 – 167.
6.
Каблов Е. Н. Из чего сделать будущее? Материалы нового поколения, технологии их создания и переработки — основа инноваций //Крылья родины. 2016. № 5. С. 8 – 18.
7.
Каблов Е. Н. Аддитивные технологии — доминанта национальной технологической инициативы. //Интеллект и технологии. 2015. № 2 (11). С. 52 – 55.
8.
Суфияров В. Ш., Попович А. А., Борисов Е. В., Полозов И. А. Селективное лазерное плавление титанового сплава и изготовление заготовок деталей газотурбинных двигателей //Цветные металлы. 2015. № 8. С. 76 – 80.
9.
Евгенов А. Г., Горбовец М. А., Прагер С. М. Структура и механические свойства жаропрочных сплавов ВЖ159 и ЭП648, полученных методом селективного лазерного сплавления //Авиационные материалы и технологии. 2016. № S1 (43). С. 8 – 15.
10.
Евгенов А. Г., Рогалев А. М., Неруш С. В., Мазалов И. С. Исследование свойств сплава ЭП648, полученного методом селективного лазерного сплавления металлических порошков //Труды ВИАМ. 2015. № 2. Ст.02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 23.03.2016). DOI: 10.18577 / 2307‑6046‑2015‑0‑2‑2‑2.
11.
Trosch T., StrÖbner J., VÖlkl R., Glatzel U. Microstructure and mechanical properties of selective laser melted Inconel 718 compared to forging and casting // Materials Letters. 2016. Vol. 164. P. 428 – 431.
12.
Jia Q., Gu D. Selective laser melting additive manufacturing of Inconel 718 superalloy parts: Densification, microstructure and properties // J. Alloys and Compounds. 2014. Vol. 585. P. 713 – 721.
13.
Лукина Е. А., Базалеева К. О., Петрушин Н. В. Цветкова Е. В. Особенности формирования структуры жаропрочного никелевого сплава ЖС6К-ВИ при селективном лазерном плавлении // Цветные металлы. 2016. № 3 (879). С. 57 – 62.
14.
Лаптева М. А., Белова Н. А., Раевских А. Н., Филонова Е. В. Исследование зависимости шероховатости, морфологии поверхности и количества дефектов структуры от мощности лазера, скорости сканирования и типа штриховки в жаропрочном сплаве, синтезированном методом СЛС // Труды ВИАМ. 2016. № 9 (45). URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 12.01.2017). DOI: 10.18577 / 2307‑6046‑2016‑0‑9‑9‑9.
15.
Суфияров В. Ш., Попович А. А., Борисов Е. В., Полозов И. А. Селективное лазерное плавление жаропрочного никелевого сплава. // Цветные металлы. 2015. № 1. С. 79 – 84.
16.
Carter L. N., Wang X., Read N., Khan R., Aristizabal M., Essa K., Attallah M. M. Process optimization of selective laser melting using energy density model for nickel based superalloys // Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32. Iss. 7. P. 657 – 661. http://dx.doi.org / 10.1179 / 1743284715Y.0000000108.
17.
Basak A., Acharya R., Das S. Additive manufacturing of single-crystal superalloy CMSX-4 through scanning laser epitaxy: computational modeling, experimental process development, and process parameter optimization //Metallurgical and Materials Transactions A. 2016. Vol. 47. No. 8. P. 3845 – 3859.
18.
Евгенов А. Г., Лукина Е. А., Королев В. А. Особенности процесса селективного лазерного синтеза применительно к литейным сплавам на основе никеля и интерметаллида Ni3Al // Новости материаловедения. Наука и техника. 2016. № 5 (23). С. 3 – 11.
19.
Каблов Е. Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1. С. 3−33. DOI: 10.18577 / 2071‑9140‑2015‑0‑1‑3‑33.
20.
Sundararaman M., Mukhopadhyay P., Banerjee S. Carbide precipitation in nickel superalloys 718 and 625 and their effect on mechanical properties // The Minerals, Metals & Materials Society. 1997. P. 367 – 378.
21.
Masoumi F., Shahriari D., Devaux A. Kinetics and mechanism of γ' reprecipitation in a Ni-based Superalloy // Scientific Reports. 2016. 6.iDoi: 10.1038 / srep28650.