A microstructural study of a 3D-printed superalloy by electron beam melting for aero-engine applications

Abstract

Mikrostrukturen til en sprekkfri MAR-M247 superlegeringsdel produsert ved elektronstrålesmelting (EBM) har blitt undersøkt ved hjelp av flere karakteriseringsteknikker. To prøver ble undersøkt, hvorav den ene er hentet ut rett etter produksjonen, mens den andre prøven har gjennomgått en full varmebehandling etter byggeprosessen. Denne undersøkelsen ble utført for å få en bedre forståelse av hvorfor EBM-prosessen var i stand til å produsere deler uten kritiske sprekker for en legering som tidligere har vært svært sprekkutsatt ved additiv produksjon. Innsikten kan potensielt bidra til å utvikle additive metoder for andre sprekkutsatte superlegeringer i fremtiden. Kornstrukturen ble kartlagt ved hjelp av elektron-tilbakespredningsdiffraksjon (EBSD) i skanningelektronmikroskop, mens kjemisk kartlegging ble utført ved elektronprobe-mikroanalyse (EPMA) for kvalitativt å identifisere hvilke elementer som er til stede. Røntgendiffraksjon (XRD) ble også utført for å identifisere de forskjellige fasene som er til stede på bulk-nivå. Til slutt ble atomprobetomografi (APT) utført for å se på korngrensene til prøvene og for å få komposisjonsdata for de forskjellige fasene som er til stede. Denne forskningen har avdekket dannelsen av M6C karbider i den som-bygget prøven, samt kromrike karbider i den varmebehandlede prøven, som mest sannsynlig er M23C6. MC karbider ble også bekreftet i begge prøvene. For det andre har APT vist segregering av visse mindre elementer som bor, karbon og zirkonium, samt forurensninger som silisium og fosfor, ved en korngrense etter full varmebehandling. Den har også avdekket mulig oppsamling av bor, karbon, silisium og fosfor ved dislokasjoner som befinner seg ved γ/γ′-grenseflatene i prøven hentet rett fra produksjonen. Noen av disse mindre elementene er kjent for å stabilisere den flytende filmen ved korngrenser med høy vinkel under størkning, noe som fører til økt følsomhet for varmsprekker. Oppsamling av disse elementene ved γ/γ′-grenseflatedislokasjoner kan muligens redusere mengden av disse elementene ved korngrensene og redusere følsomheten for varmsprekking. Det er derimot viktig at noe bor blir værende på korngrensen for å motarbeide siging i byggeprosessen, og dislokasjonskontroll kan vise seg avgjørende for å unngå sprekker. Videre studier bør utføres for å forstå denne effekten.

The microstructure of a crack-free MAR-M247 superalloy part produced by electron beam melting (EBM) has been investigated using several characterization techniques. Two samples were investigated, one of which is in the as-built condition while the other sample have gone through a full heat treatment after the building process. This investigation was carried out to gain a better understanding as to why the EBM process was able to manufacture parts without critical cracks for an alloy which previously have been severely crack prone for additive manufacturing. The insight could potentially help develop additive methods for other crack-prone superalloys in the future. The grain structure was mapped using electron back scatter diffraction (EBSD) on scanning electron microscope, while chemical mapping was performed by electron probe micro analysis (EPMA) to qualitatively identify which elements are present. X-ray diffraction (XRD) was also performed to identify the different phases present on a bulk scale. Finally, atom probe tomography (APT) was conducted to study the grain boundaries of the samples and to obtain compositional data of the different phases present. This research has revealed the formation of M6C carbides in the as-built sample, as well as chromium-rich carbides in the heat treated sample, which are most likely M23C6. MC carbides were also confirmed in both samples. Secondly, APT has shown segregation of the minor elements boron, carbon and zirconium, as well as impurities like silicon and phosphorous, at a grain boundary after the full heat treatment. It has also revealed possible entrapment of boron, carbon, silicon and phosphorus at dislocations located at the γ/γ′-interfaces in the as-built sample. Some of these minor elements are known to stabilize the liquid film at high-angle grain boundaries during solidification, leading to increased hot cracking sensitivity. The entrapment of these elements in the γ/γ′-interface dislocations could possibly reduce the amount of these elements at the grain boundaries and reduce the sensitivity to hot cracking. However, some boron should be left at the grain boundary to mitigate creep during the building process, and dislocation control could prove vital to avoid cracking. Further studies should be done in order to understand this effect.