The Effect of a Laser-Based Heat Treatment on the Microstructural Evolution of a Repaired by Direct Energy Deposition IN718 Superalloy

Abstract

I dette prosjektet ble det undersøkt prøver av superlegeringa Inconel 718 framstilt via LB-DED, og deretter utsatt for en laserbasert varmebehandling. To slike varmebehandlinger ble utført og karakterisert: den første behandlingen holdt 1000°C, mens den andre behandlingen holdt 700°C. Behandlingene omtales som henholdsvis homogeniserings- og aldringsbehandlingen. De eksperimentelle parameterne var holdetida for hver behandling samt hvilken behandling hver prøve ble utsatt for. Det såkalte «as-built»-området ble også karakterisert, der mikrostrukturen antas a være upåvirka av varmebehandlingene. Prøvene ble analysert med SEM, EBSD, EDS og APT. «As-built» tilstanden viste en kolumnær-dendrittisk mikrostruktur, som er typisk for 3D-printa IN718. Området viste sterk kjemisk segregering av Nb mot det interdendrittiske området mellom de kolumnære korna. Segregeringen førte til utfelling av et δ+Laves kompleks i det interdendrittiske området. Homogeniseringsbehandlingen, som holdt 1000°C, førte til fullstendig utslettelse av δ+Laves komplekset, og ingen gjenværende kjemisk inhomogenitet ble observert etter behandlingen. Behandlingen førte i midlertidig ikke til rekrystallisering av de kolumnære korna, som i stedet ble forgrova. I tillegg ble substratet forgrova, som helst burde unngås. Det ble observert karbider og karbonitrider gjennomgående i hele deposisjonen. Holdetida til homogeniseringsbehandlingen førte til mer vesentlig forgroving ved lengre holdetider. Aldringsbehandlingen, som holdt 700°C førte til ingen synlige utfellinger ved 10 minutter holdetid. En 20 minutter holdetid førte til dannelse av en disk-forma utfelling, som identifiseres som den gunstige γ″ fasen. γ″ partiklene er javnt fordelt, men har en usedvanlig kjemisk sammensetning. γ′, den andre gunstige utfellinga i denne legeringa, ble ikke observert ved noen holdetider innafor de eksperimentelle parameterne.

In the project, samples of alloy Inconel 718 additively manufactured by laser based directed energy deposition (LB-DED) exposed to novel laser-based heat treatments were studied. The effect of two such laser-based heat treatments was characterised to assess the viability of the procedure for repair of IN718 parts. The first treatment held a nominal temperature of 1000°C, the second 700°C. The treatments are designated the solutioning treatment and the ageing treatment respectively. The varied parameter was which treatment each sample received, and the holding time for each treatment. The “as-built” condition without any heat treatment was also studied. The samples were analysed with scanning electron microscopy, electron backscatter diffraction, energy dispersal spectroscopy, and atom probe tomography. The as-built condition displayed a columnar dendritic microstructure as is typical for additively manufactured IN718. Strong segregation of Nb into the interdendritic region resulted in the formation of a δ+Laves complex in the interdendritic and additionally resulted in significant chemical inhomogeneity. The 1000°C solutioning treatment resulted in complete dissolution of the δ+Laves complexes, and no observable chemical inhomogeneity remained. The treatment failed however to recrystalise the columnar dendritic grains in the deposition, which instead have coarsened. Additionally, the treatment resulted in coarsening of the build substrate, which is undesirable. Carbides and carbonitrides are extant in the deposition after the solutioning treatment. Holding time of the solutioning treatment resulted in more significant coarsening. The ageing treatment resulted in no observable precipitates after 10 minutes holding time. An ageing holding time of 20 minutes resulted in the formation of a disc-like precipitate identified as the beneficial γ″-phase. The γ″ precipitates were evenly distributed, but show an unusual composition. No amount of γ′, the other beneficial phase in this alloy, could reliably be identified in any of the samples.