Optimization of Solution Heat Treatment for a Novel Nickel-Base Superalloy Design for PBF-LB Process

Questo lavoro di tesi, svolto presso la sede di Siemens Energy a Finspång (Svezia), indaga l’ottimizzazione del trattamento termico di solubilizzazione per una nuova superlega (SAM), progettata per essere processata trameite Laser Beam Powder Bad Fusion (LB-PBF). Il focus è stato posto sulla formazione ed evoluzione delle fasi rinforzanti e dei precipitati, la ricristallizzazione e l’influenza di diverse temperature di trattamento sulle proprità miscrostrutturali del SAM. Le simulazioni con Thermo-Calc sono state inizialmente effettuate per comprendere la stabilità delle fasi ed individuare una finestra di trattamento termico adeguata, evitatno il fenomeno di incipient melting. Tuttavia, il database disponibile per le superleghe di nickel, inlcude soltando superleghre commerciali, che hanno composizioni chimiche che differiscono molto da quella del SAM, causando discrepanze significative con le osservazioni sperimentali. Per migliorare l’accuratezza predittiva, il lavoro futuro prevede l’integrazione dei dati sperimentali della calorimetria differenziale (DSC) e di ulteriori risultati di caratterizzazione nel modello computazionale. Il primo ciclo di trattamenti termici, consistente in tre step consequenziali: HIP, solubilizzazione ed invecchiamento, ha mostrato che le temperature proposte non erano sufficienti a innescare una ricristallizzazione significativa, sebbene siano state osservate indicazioni preliminari di grain boudary serration. Questi risultati suggeriscono la potenzialità e la possibilità di controllare la microstruttura combinando temperatura e velocità di raffreddamento. Sono necessari ulteriori studi sul meccanismo di serration, per poi analizzarne l’influenza sulle proprietà a creep. I trattamenti termici di solubilizzazione, eseguiti tra 1180◦C e 1280◦C hanno mostrato una crescita più evidente dei grani a 1200 ◦C, ma ancora insufficiente a massimizzare le proprietà di creep. A temperature più elevate, la formazione di una fase metastabile sembra limitare la mobilità dei grani, ostacolandone la crescita. Il lavoro futuro sarà dedicato all’identificazione e alla caratterizzazione di questa fase per chiarire il meccanismo di formazione e individuare possibili strategie di mitigazione nelle condizioni di processo. È stato inoltre studiato l’effetto della velocità di raffreddamento da 1240 ◦C. Il raffreddamento lento probabilmente consente la diffusione atomica ai bordi di grano, con conseguente scomparsa della fase metastabile, mentre il raffreddamento rapido ne preserva la presenza. L’esatta temperatura di onset della formazione della fase è compresa nel range tra 1220 e 1240 ◦C.. I risultati preliminari della DSC indicano un debole picco a 1215 ◦C, quasi trascurabile, ma allo stesso tempo, unica evidenza di un cambiamento di fase, prima del picco di fusione a 1330◦C. Questo lavoro evidenzia l’interazione tra parametri di trattamento termico, evoluzione delle fasi e controllo microstrutturale nella superlega SAM e le sue conseguenti proprità. L’approccio combinato sperimentale e computazionale fornisce una strada per ottimizzare i processi di trattamento termico e massimizzare di conseguenza le proprietà a creep per una lega destinata ad operare alle più alte temperature presenti in una turbina a gas.