Development of a processing route based on the hot isostatic pressing (hip) of inconel® 718 gas atomised powders for the optimisation of its mechanical properties

Resumo

Las superaleaciones base níquel, como el INCONEL® 718 (IN718), son ampliamente usadas en componentes de motores aeronáuticos, debido a sus excelentes propiedades, especialmente a temperaturas elevadas. El IN718 se procesa normalmente por metalurgia clásica (forja y mecanizado). Sin embargo, el consumo de energía durante el procesado es alto y la eficiencia baja, siendo el ratio material necesario vs vuelo aproximadamente 10:1. Así, es necesario un sistema alternativo que mejore la eficiencia y el consumo de energía. La ruta pulvimetalúrgica de prensado isostático en caliente (HIP) en forma neta ofrece una solución, permitiendo la eliminación o al menos una gran reducción del proceso de mecanizado, y por lo tanto, se puede reducir el ratio material necesario vs vuelo de 10:1 a aproximadamente 1.5:1, produciéndose una reducción enorme de material necesario, consumo de energía y costes. Sin embargo, el principal problema de esta ruta en las superaleaciones base níquel es conseguir las propiedades microestructurales y mecánicas requeridas por la industria aeronáutica. Esta tesis se centra en el estudio, análisis, caracterización y optimización de las diferentes etapas de la ruta pulvimetalúrgica mediante HIP del IN718 para conseguir las propiedades mecánicas requeridas. Primero, se realizó una completa caracterización de los polvos de IN718 fabricados por distintos métodos. Se estudió la morfología, propiedades físicas, fracción de polvo y composición química para seleccionar el polvo con las propiedades deseadas. Se desea alta fluidez y densidad de llenado, bajo contenido de carbono y oxígeno, y contenidos apropiados de boro, niobio, aluminio y titanio. Además, se investigó y desarrolló un método para reducir el contenido de oxígeno en el polvo. Después, se desarrolló un procedimiento de encapsulación para mantener iguales las propiedades del polvo después del ciclo de HIP. También, se realizaron ciclos de HIP para evaluar la influencia de diversos parámetros y determinar la ventana óptima de HIP (tipo y fracción de polvo, temperatura, tiempo, presión, composición química y velocidad de enfriamiento). Además, se estudiaron varios tratamientos térmicos (HT) para precipitar las fases necesarias para alcanzar las propiedades mecánicas. Finalmente, las propiedades de los materiales HIP y HIP con HT se analizaron (microestructura, tamaño de grano, composición química, dureza, tracción, tenacidad, ruptura por tensión y fatiga). Los resultados mostraron que usando el polvo y las condiciones de HIP y HT óptimas se alcanzan los valores requeridos para todas las propiedades, excepto tenacidad. La ductilidad y la tenacidad aumentaron al usarse un polvo, diseñado en esta tesis, con bajo contenido de niobio. Por lo tanto, en conclusión, esta ruta pulvimetalúrgica mediante HIP desarrollada en este trabajo es un método viable para la manufacturación de componentes de motores aeronáuticos de IN718 con la microestructura y propiedades mecánicas requeridas.