Effect of aging heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Inconel 718.
M. C. María de Lourdes Hernández Rodríguez a,
M. C. Katia Alejandra Villarreal Garza b
Dr. Francisco Fernando Curiel López c,
Dr. Jorge Leobardo Acevedo Dávila d,
Dra. Ma. de Jesús Soria Aguilar b,
a Estudiante de Posgrado de Ciencia y Tecnología de los Materiales, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila (UAdeC)
b Facultad de Metalurgia, Universidad Autónoma de Coahuila.
Correo de contacto: ma.soria@uadec.edu.mx
c Instituto de Investigación en Metalurgia y Materiales, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
d Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A. de C.V. (COMIMSA).
Artículo PDF
CienciaCierta No. 57, Enero – Marzo 2019
Resumen
La microestructura y propiedades mecánicas del Inconel 718 fueron estudiadas en el metal base y posterior al tratamiento térmico de solución + envejecido. La precipitación de fases y microestructuras fueron examinadas usando microscopía óptica (MO) y microscopía electrónica de barrido (SEM). La longitud promedio de grano del metal base fue de 11.6 mm según la norma ASTM E-112-1996, el cual está acompañado de partículas de carburos tipo MC. Se observó que posterior al tratamiento térmico, ocurre recristalización y crecimiento de grano, con una longitud promedio de 310 mm; además de que se observa la disolución de la fase Laves dentro de la matriz austenítica para precipitar las principales fases de endurecimiento g´ y g´´. Por otro lado, se observó un aumento en la microdureza después del tratamiento térmico (⁓230%).
Palabras clave: Envejecimiento, Fase, Inconel 718, Microestructura y Tratamiento térmico.
Abstract
The microstructure and mechanical properties of the Inconel 718 were studied in the base metal and after solution + aged thermal treatment. The microstructure of precipitation phases were examined using optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The average grain length of the base metal was 11.6 μm according to ASTM E-112- 1996, which is accompanied by MC-type carbide particles. It was observed that after the thermal treatment, recrystallization and grain growth occur, with an average length of 310 μm; in addition, the dissolution of the Laves phase inside the austenitic matrix was observed to precipitate the main hardening phases g´and g´´. On the other hand, an increase in microhardness was observed after the thermal treatment (⁓230%).
Keywords: Aging, phase, Heat treatment, Inconel 718, and Microstructure.
Introducción
Las superaleaciones son relativamente nuevas, ya que datan del primer cuarto y mediados del siglo XX, fueron creadas debido a la necesidad de obtener materiales con propiedades óptimas de resistencia a la corrosión y buen desempeño a elevadas temperaturas (Agilan y col., 2014). Se clasifican principalmente en tres diferentes grupos dependiendo de sus elementos base: hierro-níquel, cobalto y níquel. En general, son usadas a temperaturas elevadas alrededor de los 540 °C o superiores (Donachie y Donachie, 2002).
Las fases intermetálicas que se presentan en las superaleaciones base níquel se pueden dividir en tres principales grupos: i-carburos primarios y secundarios; ii-GCP (Empaquetamiento Geométricamente Cerrado); y iii-TCP (Empaquetamiento Topológicamente Cerrado) (Juraj, 2016).
El Inconel 718 es una de las superaleaciones base níquel más soldables endurecida por precipitación, extensamente usado en la industria aeroespacial. Ciertos componentes soldados de aleación 718 experimentan temperatura que oscila entre rango criogénico (-253°C) hasta alta temperatura (por encima de 576.85°C) (Manikandan y col., 2012). Su amplia aplicación es debido a sus excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas (Manikandan y col., 2019).
Las aleaciones base níquel pueden ser fundiciones y forjadas, que son más homogéneas que las fundiciones, las cuales usualmente tienen segregación causada por el proceso de solidificación. La segregación es una consecuencia natural de la solidificación de las aleaciones pero puede ser más severa en algunos casos que en otros. Las aleaciones forjadas son consideradas más dúctiles que las aleaciones fundidas (Juraj, 2016).
En este estudio, las muestras de Inconel 718 fueron tratadas térmicamente utilizando tratamientos térmicos de envejecido, para observar los cambios en la microestructura, precipitación de fases y propiedades mecánicas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Parámetros del material base, envejecimiento y preparación de muestras
Las características químicas Inconel 718 fueron proporcionadas por el fabricante. La Tabla 1 muestra la composición química nominal.
Tabla 1. Composición química de la aleación Inconel 718. (Datos proporcionados por el fabricante.)
El procedimiento experimental seguido para el tratamiento de esta aleación, se muestra en la diagrama de flujo de la Figura 1.
Caracterización microestructural
Con la finalidad de realizar la caracterización microestructural, las muestras fueron preparadas metalográficamente y atacadas con una solución de HCl:HNO3:HF:H2O en proporción 50:10:2:38 (en volumen) a temperatura ambiente, por un tiempo aproximado de 25 a 40 seg. Para revelar la microestructura, posteriormente las muestras fueron analizadas en un microscopio óptico marca Olympus GX51 equipado con el software ImagePro Premier 9. Para el análisis a detalle de muestras tratadas térmicamente se utilizó un Microscopio Electrónico de Barrido marca Bruker TESCAN, equipado con cañón de emisión de alta resolución.
Caracterización mecánica
Se determinó la dureza inicial y posterior al tratamiento térmico mediante mediciones de microdureza en un Microdurómetro Vickers ZHVµ con una carga de 500 g por un tiempo de 10 seg. El ensayo de microdureza fue para determinar el comportamiento de la aleación Inconel 718 en el tratamiento térmico, observando el efecto en función del tiempo de permanencia.
RESULTADOS Y DISCUSION
La Figura 2a muestra la microestructura del Inconel 718 en estado de recocido, donde se observa un grano equiaxial de matriz austenítica y partículas de carburos del tipo-MC distribuidos de forma aleatoria. La austenita se caracteriza por un apilamiento de planos compactos en una secuencia que se repite en cada tres capas (ABCABCA…) (Askeland, 1998), mientras que la Figura 2b demuestra la imagen de la microestructura realizada en microscopio electrónico de barrido.
El tamaño de grano del material base y posterior al tratamiento térmico realizado se midió por medio del software Image Pro-Premier; dando como resultado una longitud 11.6 mm en el metal base; mientras que posterior al tratamiento térmico resultó con una longitud promedio 310 mm según la norma ASTM E-112-1996. Esto confirma un crecimiento de grano (Shelenkov y col., 1977) con el consecuente desplazamiento de sus bordes conduciendo a algunos granos aumentan tamaño a costa de otros. Bajo estas condiciones los átomos se difunden a través de los bordes de grano. Por lo tanto, el crecimiento de los granos está asociado a la energía de activación requerida para que un átomo pase a través del borde de grano.
Es importante mencionar que en la primera etapa del tratamiento térmico a una temperatura por encima de 975ºC, la presente disolución de la fase δ permite un fuerte crecimiento del tamaño de grano, que afecta a las propiedades mecánicas del material (Urdanpilleta y col., 2004).
Con la finalidad de realizar un análisis más completo, se procedió a ejecutar microscopía electrónica de barrido. Este equipo permitió obtener un mapeo de distribución elemental del metal a fin de determinar los elementos presentes, y con esto, identificar las fases presentes. Los resultados se muestran en la Figura 3.
Devendranathan y col. (2015) reportaron que, debido a la presencia de Nb, Ti y C en el Inconel 718, estos elementos tienden a precipitar en forma de TiC y otros compuestos intermetálicos que promueven el efecto de endurecimiento en la matriz del material. De igual manera, Sun y col. (1997) mencionan la presencia del TiC principalmente en la matriz con partículas cúbicas, mientras que el NbC se encuentra en todo el espacio interdendrítico como cúmulos de corte lobulado con bordes rectos y ángulos agudos. Por otra parte, se observa la presencia simultánea del Fe, Ni y Cr, lo cual es debido a que son los 3 principales elementos presentes en la superaleación Inconel 718.
A fin de observar la distribución elemental, se realizó un mapeo de la aleación Inconel 718 expuesta a un tratamiento de envejecimiento. Las imágenes obtenidas se presentan en la Figura 4.
Se sugiere la presencia de carburos tipo MC ya que de acuerdo con la proyección ternaria de Ni-C-Nb liquidus, la solidificación termina con la formación de reacciones de tipo eutéctica que implican NbC y/o Ni3Nb (DuPONT y col., 1998). Los carburos en las aleaciones base-níquel, generalmente se forman en los límites de grano.
Es importante mencionar que las superaleaciones obtienen su fuerza principalmente de endurecimiento por solución sólida y fases de precipitación (Juraj, 2016). Las principales fases de endurecimiento son las conocidas como fases geométricamente compactas (con sus siglas en ingles GCP): gama prima (g´) con estructura fcc de Ni3(Al,Ti); gama biprima (g´´) bct ordenado Ni3Nb; eta (h) hexagonal ordenado Ni3Ti.
Las fases topológicamente compactas (TCP) también se forman en las superaleaciones. Las fases llamadas topológicamente compactas (TCP) son aquellas como s (FeCr, FeCrMo, CrCo), m, d y Laves (entre otras) que generalmente son frágiles y perjudiciales para las propiedades mecánicas de las superaleaciones, en particular las superaleaciones base níquel (Juraj, 2016). La Tabla 2 muestra datos resumidos sobre las fases comúnmente presentes en las superaleaciones hierro-níquel y base de níquel.
Microdureza del tratamiento térmico
Se midió la microdureza del metal base la cual fue de 179.3 Hv. En el tratamiento térmico, la velocidad de difusión es alta y la cinética de endurecimiento es rápida, así que posterior al tratamiento térmico de envejecimiento, la dureza fue de 413.5 Hv, observándose un incremento del 230 %, aproximadamente.
Conclusiones
En este estudio se analizaron los cambios en la microestructura y propiedades mecánicas para la aleación Inconel 718, así como se presentó un resumen de las principales fases encontradas en las superaleaciones base níquel.
En el tratamiento térmico de la aleación Inconel 718, la temperatura de homogenizado es lo suficientemente alta, permitiendo la disolución de la fase Laves interdendrítica y fase delta, lo que favorece el crecimiento de grano promedio a 310 mm.
Se observó un aumento de ⁓230% en la microdureza después del tratamiento térmico en comparación con el metal base, lo que puede ser debido a la presencia de fases de endurecimiento como son g´ y g´´.
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