The Phase Composition of the Nickel-based Inconel 718 Alloy obtained by Additive Technology

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Over the past decade, additive manufacturing (AM) aimed to get the object by 3D model through layer-by-layer manner in a single pass has been actively applied in manufacturing of complex-shaped parts. However, standards for AM materials have not yet been developed. Engineers and researchers are trying to achieve the mechanical properties of AM materials as those formed by standard technologies. Precipitation hardened Ni-based alloys are desirable materials for aircraft engines parts. Usually the complex geometry of such metal parts is formed by a combination of several standard technologies with complex heat treatment. Changing this labor-intensive process to AM is a promising industry direction. Phase transition occurring during layer-by-layer production with a complex thermal effect is one of the main tasks for researches. Focus of this work is made in the study of phase composition and mechanical properties of Ni-based alloy fabricated by high-speed direct laser deposition in different layer areas. Materials and methods. Microstructure of the as-deposited sample is performed using optical microscopy and SEM. Phase composition is analyzed using XRD and TEM. Mechanical properties are evaluated with microhardness and tensile tests at room temperature. Results and Discussion. The as-deposited structure is columnar; grains growing epitaxially along the deposition direction with the presence of transition areas. Laves phase, MC and M23C6 carbides appear as discrete particles and change morphology in different layer areas. The main γ′/γ″ phases are not detected. The initial formations of δ-phase are identified. The microhardness test has the standard level value. With the high value of elongation, the yield strength and tensile strength of the as-deposited sample are lower than those of standard.

About the authors

M. V. Rashkovets

Email: mrashkovets@mail.ru
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, mrashkovets@mail.ru

A. A. Nikulina

Email: _aelita27@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, _aelita27@mail.ru

O. G. Klimova-Korsmik

Email: o.klimova@ltc.ru
Ph.D. (Engineering), Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (Institute of laser and welding technologies), 29 Polytechnicheskaya str., Saint-Petersburg, 195251, Russian Federation, o.klimova@ltc.ru

K. D. Babkin

Email: babkin_kd@spbstu.ru
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (Institute of laser and welding technologies), 29 Polytechnicheskaya str., Saint-Petersburg, 195251, Russian Federation, babkin_kd@spbstu.ru

O. E. Matts

Email: o.matts@mail.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 Prospekt Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, o.matts@mail.ru

M. Mazzarisi

Email: marco.mazzarisi@poliba.it
Politecnico di Bari (Department of Mechanics, Mathematics and Management), st. Orabona, 4, Bari, 70126, Italy, marco.mazzarisi@poliba.it

References

  1. Sims Ch., Hagel W. The superalloys. – New York: Wiley, 1974. – 568 p.
  2. Колачев Б.А., Елагин В.И. Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 1999. – 416 с. – ISBN 5-87623-027-8.
  3. Richards N.L., Huang X., Chaturvedi M.C. Heat affected zone cracking in cast inconel 718 // Materials Characterization. – 1992. – Vol. 28, N 4. – P. 179–187. – doi: 10.1016/1044-5803(92)90080-2.
  4. A comparative study on fiber laser and CO2 laser welding of Inconel 617 / W. Ren, F. Lu, R. Yang, X. Liu, Zh. Li // Materials & Design. – 2015. – Vol. 76. – P. 207–214. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.03.033.
  5. Studies on the weldability, microstructure and mechanical properties of activated flux TIG weldments of Inconel 718 / K.D. Ramkumar, B.M. Kumar, M. Gokul Krishnan, S. Dev, A.J. Bhalodi, N. Arivazhagan, S. Narayanan // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – Vol. 639. – P. 234–244. – doi: 10.1016/j.msea.2015.05.004.
  6. Microstructures and mechanical properties of Inconel 718 welds by CO2 laser welding / J.K. Hong, J.H. Park, N.K. Park, I.S. Eom, M.B. Kim, C.Y. Kang // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 201, N 1–3. – P. 515–520. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.224.
  7. The failure mechanism of 50% laser additive manufactured Inconel 718 and the deformation behavior of Laves phases during a tensile process / S. Sui, J. Chen, X.L. Ming, S.P. Zhang, X. Lin, W.D. Huang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 91. – P. 2733–2740. – doi: 10.1007/s00170-016-9901-9.
  8. Precipitation behavior of Fe2Nb Laves phase on grain boundaries in austenitic heat resistant steels / S.W. Chen, C. Zhang, Z.X. Xia, H. Ishikawa, Z.G. Yang // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 616. – P. 183–188. – doi: 10.1016/j.msea.2014.07.104.
  9. Microstructure of carbides at grain boundaries in nickel based superalloys / X. Dong, X. Zhang, K. Du, Yi. Zhou // Journal of Materials Science & Technology. – 2012. – Vol. 28, N 11. – P. 1031–1038. – doi: 10.1016/S1005-0302(12)60169-8.
  10. On the crystallography and composition of topologically close-packed phases in ATI 718 Plus / R. Krakow, D.N. Johnstone, A.S. Eggeman, D. Hünert, M.C. Hardy, C.M.F. Rae, P.A. Midgley // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 130. – P. 271–280. – doi: 10.1016/j.actamat.2017.03.038.
  11. Vishwakarma K.R., Richards N.L., Chaturvedi M.C. Microstructural analysis of fusion and heat affected zones in electron beam welded ALLVAC® 718PLUS™ superalloy // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 480, N 1–2. – P. 517–528. – doi: 10.1016/j.msea.2007.08.002.
  12. Microstructural evolution and mechanical properties of Inconel 718 superalloy thin wall fabricated by pulsed plasma arc additive manufacturing / K.Y. Wang, Yu. Liu, Zh. Sun, J. Lin, Ya. Lv, B. Xu // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 819. – doi: 10.1016/j.jallcom.2019.152936.
  13. Inconel 718 is a Gamma Prime strengthened alloy with excellent mechanical properties at elevated temperatures. – URL: https://www.hpalloy.com/Alloys/descriptions/INCONEL718.aspx (accessed: 13.08.2020).
  14. High powder CO2 and Nd-YAG laser welding of wrought Inconel 718 / S. Gobbi, L. Zhang, J. Norris, K.H. Richter, J.H. Loreau // Journal of Materials Science & Technology. – 1996. – Vol. 56, N 1–4. – P. 333–345. – doi: 10.1016/0924-0136(95)01847-6.
  15. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. – М.: Металлургия, 1977. – 223 с.
  16. Microstructure and tensile properties of Inconel 718 pulsed Nd-YAG laser welds / G.D.J. Ram, A.V. Reddy, K.P. Rao, G.M. Reddy, J.K.S. Sundar // Journal of Materials Science & Technology. – 2005. – Vol. 167. – P. 73–82. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.09.081.
  17. Effect of preand post-weld heat treatment on metallurgical and tensile properties of Inconel 718 alloy butt joints welded using 4 kWNd: YAG laser / X. Cao, B. Rivaux, M. Jahazi, J., Cuddy A. Birur // Journal of Materials Science. – 2009. – Vol. 44, N 17. – P. 4557–4571. – doi: 10.1007/s10853-009-3691-5.
  18. Antonsson T., Frederiksson H. The effect of cooling rate on the solidification of Inconel 718 // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2005. – Vol. 36. – P. 85–101. – doi: 10.1007/s10853-009-3691-5.
  19. Nie P., Ojo O.A., Li Z. Numerical modeling of microstructure evolution during laser additive manufacturing of a nickel-based superalloy // Acta Materialia. – 2014. – Vol. 77. – P. 85–95. – doi: 10.1016/j.actamat.2014.05.039.
  20. Microstructure and elevated temperature mechanical properties of IN718 alloy fabricated by laser metal deposition / Y. Zhang., L. Yang, W. Lu, D. Wei, T. Meng, Sh. Gao // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 771. – P. 138580. – doi: 10.1016/j.msea.2019.138580.
  21. Goods S.H., Brown L.M. Overview N 1: The nucleation of cavities by plastic deformation // Acta Metallurgica. – 1978. – Vol. 27. – P. 1–15. – doi: 10.1016/0001-6160(79)90051-8.
  22. Microstructural and texture development in direct laser fabricated IN718 / L.L. Parimi, G.A. Ravi, D. Clark, M.M. Attallah // Materials Characterization. – 2014. – Vol. 89. – P. 102–111. – doi: 10.1016/j.matchar.2013.12.012.
  23. The influence of Laves phases on the high-cycle fatigue behavior of laser additive manufactured Inconel 718 / Sh. Sui, J. Chen, E. Fan, H. Yang, X. Lin, W. Huang // Materials Science & Engineering A. – 2017. – Vol. 695. – P. 6–13. – doi: 10.1016/j.msea.2017.03.098.
  24. Lindley T.C., Oates G., Richards C.E. A critical of carbide cracking mechanisms in ferride/carbide aggregates // Acta Metallurgica. – 1979. – Vol. 18. – P. 1127–1136. – doi: 10.1016/0001-6160(70)90103-3.
  25. Sundararaman M., Mukhopadhyay P., Banerjee S. Carbide precipitation in nickel base superalloys 718 and 625 and their effect on mechanical properties // Superalloys 718, 625 and various derivatives. – Warrendale, PA, USA: The Minerals, Metals and Materials Society, 1997. – P. 367–378.
  26. Microstructures and stress rupture properties of pulse laser repaired Inconel 718 superalloy after different heat treatments / Sh. Sui, J. Chen, L. Ma, W. Fan, H. Tan, F. Liu, X. Lin // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 770. – P. 125–135. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.08.063.
  27. Sivaprasad K., Raman S.G.S. Influence of magnetic arc oscillation and current pulsing on fatigue behavior of alloy 718 TIG weldments // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 448 B. – P. 120–127. – doi: 10.1016/j.msea.2006.10.048.
  28. Qi H., Azer M., Ritter A. Studies of standard heat treatment effects on microstructure and mechanical properties of laser net shape manufactured INCONEL 718 // The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International. – 2009. – Vol. 40 A. – P. 2410–2422. – doi: 10.1007/s11661-009-9949-3.
  29. Effect of standard heat treatment on the microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed superalloy Inconel 718 / G.A. Rao, M. Kumar, M. Srinivas, D.S. Sarma // Materials Science and Engineering A. – 2003. – Vol. 355. – P. 114–125. – doi: 10.1016/S0921-5093(03)00079-0.
  30. Qi H., Azer M., Ritter A. Studies of standard heat treatment effects on microstructure and mechanical properties of laser net shape manufactured INCONEL 718 // The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International. – 2009. – Vol. 40 A. – P. 2410–2422. – doi: 10.1007/s11661-009-9949-3.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».