Heat treatment of cold-sprayed C355 Al for repair: microstructure and mechanical properties

Cold gas dynamic spraying of commercially pure aluminum is widely used for dimensional repair in the aerospace sector as it is capable of producing oxide-free deposits of hundreds of micrometer thickness with strong bonding to the substrate, based on adhesive pull-off tests, and often with enhanced hardness compared to the powder prior to spraying. There is significant interest in extending this application to structural, load-bearing repairs. Particularly, in the case of high-strength aluminum alloys, cold spray deposits can exhibit high levels of porosity and microcracks, leading to mechanical properties that are inadequate for most load-bearing applications. Here, heat treatment was investigated as a potential means of improving the properties of cold-sprayed coatings from Al alloy C355. Coatings produced with process conditions of 500 °C and 60 bar were heat-treated at 175, 200, 225, 250 °C for 4 h in air, and the evolution of the microstructure and microhardness was analyzed. Heat treatment at 225 and 250 °C revealed a decreased porosity (~ 0.14% and 0.02%, respectively) with the former yielding slightly reduced hardness (105 versus 130 HV0.05 as-sprayed). Compressive residual stress levels were approximately halved at all depths into the coating after heat treatment, and tensile testing showed an improvement in ductility

Analiza procesu krystalizacji i kształtowania mikrostruktury stopu aluminium AlCu4Ni2Mg2

The main objective of this work was to examine a solidification process of AlCu4Ni2Mg2 alloy and analyze morphology and composition of the complex microstructure of intermetallic phases in as-cast condition. To study the solidification process differential scanning calorimetry (DSC) was used. To identify intermetallics in AlCu4Ni2Mg2 alloy optical light microscopy (LM), X-ray diffraction (XRD), scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscope and were used. The results show that the as-cast microstructure of AlCu4Ni2Mg2 alloy after slow solidification at a cooling rate 5°/min, consisted: dendrites of α-Al and intermetallic phases Al7Cu4Ni, Al6Fe, S-Al2CuMg, and Al3(CuFeNi)2 and Al2Cu.Prowadzono analizę procesu krystalizacji oraz składu chemicznego i morfologii składników fazowych mikrostruktury stopu AlCu4Ni2Mg2 w stanie lanym. W analizie procesu krystalizacji stopu stosowano metodę różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Identyfikację składników fazowych mikrostruktury stopu AlCu4Ni2Mg2 prowadzono metodami mikroskopii świetlnej (LM), elektronowej: skaningowej (SEM) i transmisyjnej (TEM) oraz dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). Analiza uzyskanych wyników badań pozwoliła ustalić, że mikrostruktura stopu AlCu4Ni2Mg2, kształtowana w procesie krystalizacji z małą prędkością chłodzenia 5°C/min, składa się z dendrytów roztworu stałego α-Al oraz wydzieleń faz międzymetalicznych: Al7Cu4Ni, Al6Fe, S-Al2CuMg, Al3(CuFeNi)2 i Al2Cu

Krzywe odkształcania nadstopu CMSX-4 po próbie ściskania w wysokiej temperaturze

Variations of a flow stress vs. true strain illustrate behavior of material during plastic deformation. Stress-strain relationship is generally evaluated by a torsion, compression and tensile tests. Results of these tests provide crucial information pertaining to the stress values which are necessary to run deformation process at specified deformation parameters. Uniaxial compression tests at the temperature through which precipitation hardening phases process occurred (900-1200°C), were conducted on superalloy - CMSX-4, to study the effect of temperature and strain rate (ε =10 to the -4 and 4x10 to the -4 s to the -1) on its flow stress. On the basis of received flow stress values activation energy of a high-temperature deformation process was estimated. Mathematical dependences (σpl - τ i σpl - ε) and compression data were used to determine material's constants. These constants allow to derive a formula that describes the relationship between strain rate (ε), deformation temperature (τ) and flow stress σpl - ε = A1σ to the n ∙ exp(-Q / RT).Zachowanie się materiału podczas odkształcania plastycznego na gorąco charakteryzują krzywe zmiany naprężenia uplastyczniającego w funkcji odkształcenia. Do ich oceny stosowane są próby skręcania, ściskania lub rozciągania. Pozwalają określić dane niezbędne do prowadzenia procesu przeróbki plastycznej materiału z zastosowaniem odpowiednich parametrów odkształcania - temperatury i prędkości chłodzenia. W pracy przedstawiono analizę wyników badań wpływu temperatury i prędkości odkształcania (ε = 10 do - 4 i 4 x 10 do -4 s do -1) na wartość naprężenia uplastyczniającego nadstopu niklu - CMSX-4 w zakresie wartości temperatury wydzielania cząstek faz umacniających (900-1200°C) uzyskane w jednoosiowej próbie ściskania. Ustalone wartości naprężenia uplastyczniającego były podstawą do wyznaczenia energii aktywacji Q procesu odkształcania wysokotemperaturowego. Na podstawie uzyskanych danych oraz odpowiednich zależności (σpl - τ i σpl - ε) określono wartości stałych materiałowych oraz ustalono zależność prędkości (ε), temperatury odkształcenia (τ) i naprężeniem ustalonego płynięcia plastycznego σpl - ε = A1σ do n ∙ exp(-Q / RT)

Wysokotemperaturowe odkształcenie stopów aluminium grupy 6xxx

The hot deformation behavior of the 6xxx aluminum alloys was investigated by compression tests in the temperature range 100°C-375°C and strain rate range 10−4s−1 and 4×10−4s−1 using dilatometer DIL 805 BÄHR Thermoanalyse equipped with accessory attachment deformation allows the process to execute thermoplastic in vacuum and inert gas atmosphere. Associated microstructural changes of characteristic states of examined alloys were studied by using the transmission electron microscope (TEM). The results show that the stress level decreases with increasing deformation temperature and deformation rate. And was also found that the activation energy Q strongly depends on both, the temperature and rate of deformation. The results of TEM observation showing that the dynamic flow softening is mainly as the result of dynamic recovery and recrystallization of 6xxx aluminium alloys.Obróbkę cieplno-plastyczną stopów aluminium grupy 6xxx prowadzono w zakresie temperatury 100°C-375°C i prędkości odkształcania 10−4s−1 i 4×10−4s−1 na dylatometrze DIL 805 BÄHR Thermoanalyse wyposażonym w przystawkę odkształceniową umożliwiającą wykonanie procesu odkształcania w próżni i w atmosferze gazu obojętnego. Zmiany mikrostruktury badanych stopów, zachodzące w charakterystycznych stadiach obróbki cieplno-plastycznej, badano za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). Ustalono, że wielkość naprężenia zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury i wielkości odkształcenia. Również energia aktywacji Q w dużym stopniu zależy zarówno od temperatury jak i prędkości odkształcania. Wyniki obserwacji mikrostruktury TEM wykazały, że dynamiczne mięknięcie materiałów jest głównie wynikiem zachodzących procesów zdrowienia dynamicznego i rekrystalizacji stopu aluminium 6xxx

Ocena porowatości warstwy ceramicznej powłokowej bariery cieplnej (TBC) wytworzonej w procesie natryskiwania plazmowego (APS)

In the paper the comparison of open porosity measurement results of ceramic topcoats in thermal barrier coatings (TBCs) was presented. TBCs were produced by Air Plasma Spraying (APS) method and were consisted of two coatings – an outer ceramic topcoat and metallic MeCrAlY bond coat deposited onto surface of René80 Ni-based superalloy. For deposition of ceramic coatings Metco 201 B NS, Metco 204 NS and Metco 210 powders were used whereas for deposition of metallic bond coat AMDRY 365-1 MeCrAlY powder was used. Both types of coatings were deposited using Thermico A60 plasma gun. The microstructure investigations of cross-sections of produced TBC’s were carried out using Hitachi S-3400N scanning electron microscope. Qualitative image analysis of microstructure of produced TBCs as well as analysis of percentage of pores surface area content AA was performed. The evaluation of porosity in ceramic topcoat was carried out by image analysis using MeTilo v.12.1 quantitative software.W pracy przedstawiono analizę wyników badań porowatości otwartej w zewnętrznej warstwie ceramicznej powłokowej bariery cieplnej TBC. Międzywarstwę metaliczną wytworzono przy użyciu proszku AMDRY 365-1, natomiast warstwę ceramiczną przy zastosowaniu proszku Metco 201 B NS, Metco 204 NS i Metco 210 firmy Oerlikon Metco. Warstwy natryskiwano za pomocą jednoelektrodowego palnika plazmowego A60 firmy Thermico, w warunkach ciśnienia atmosferycznego (APS) na podłożu nadstopu niklu René 80. Badania mikroskopowe powłokowych barier cieplnych TBC prowadzono przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi S-3400N. Wykonano analizę jakościową obrazów mikrostruktury oraz określono pole powierzchni przekroju płaskiego porów otwartych. W ocenie porowatości zewnętrznej warstwy ceramicznej stosowano program komputerowy do ilościowej analizy obrazu MeTilo v.12.1

Solution heat treatment of single crystal castings of CMSX-4 nickel-base superalloy

CITATION: Rzyankina, E., et al. 2016. Solution heat treatment of single crystal castings of CMSX-4 nickel-base superalloy. In Competitive Manufacturing, International Conference on Competitive Manufacturing (COMA '16), 27-29 January 2016, Stellenbosch, Stellenbosch University, South Africa.The original publication is available at http://conferences.sun.ac.za/index.php/doie/coma16An investigation of the microstructure and mechanical properties for heat treated directionally cast rods, produced from the nickel-based superalloy, CMSX-4, is presented. The rods were cast using the Bridgman method for manufacturing single crystal structures. The microstructure of the cast rods consists of γ and γ' precipitates. This microsegregation has a negative effect on the microstructure and, hence, the mechanical properties of the castings. The solution heat treatment of the second generation, single crystal Ni-base superalloy, CMSX-4, is known to dissolve the eutectic γ and γ' region. This requires temperatures up to 1316°C and approximately 45 hours total time. These high temperatures and long processing times result in high costs. The aim of this study is to investigate the effect of the heat treatment protocol on the extent of improvement of quality of single crystal castings, as a basis for determining cost feasibility in practice.Publisher's versio

Analiza cieplna stali niskostopowej stosowanej na silnie obciążone elementy przekładni napędów lotniczych

Heat treatment of elements with large and complex geometries generate distortions and strains inhomogeneity. Current paper focuses on material basic thermo-chemical parameters analysis in aim for prediction of AISI 9310 steel behaviour if it is about treatment of ring gears used conventionally for aircraft engine gear transmission system. Heat treatment process of heavily loaded aircraft engine transmission gears is a complicated process due to shape and size of the elements. Concerning above, current paper presents thermal analysis of AISI 9310 low alloy steel. Results of conducted research will be used as a input data for numerical simulation of cooling process. Optimal process modelling will allow eliminating of defects caused by the heat treatment process.Obróbka cieplna elementów o złożonym kształcie wprowadza duże zmiany w ich stanie naprężeń wewnętrznych. Mają wpływ na odkształcanie się obrabianych elementów uniemożliwiające często ich zastosowanie. W pracy prowadzono badania właściwości cieplnych stali AISI 9310 niezbędnych do prawidłowego opracowywania warunków obróbki cieplno-chemicznej elementów pierścieniowych kół zębatych stosowanych w przekładniach silników lotniczych. Obróbka tych elementów, z użyciem złożonego oprzyrządowania niezbędnego do prawidłowego ich zamocowania w komorze pieca próżniowego, jest procesem trudnym do realizacji. Opracowane warunki procesu obróbki cieplno-chemicznej powinny uwzględniać duże rozmiary kół zębatych przekładni oraz wymaganą powtarzalność uzyskanych profili twardości warstwy nawęglanej i hartowanej. Analiza wyników prowadzonych badań właściwości fizycznych i cieplnych stali AISI 9310, m.in. współczynnika cieplnej rozszerzalności liniowej i przewodnictwa cieplnego, a także dyfuzyjności była podstawą do opracowania modelu fizycznego umożliwiającego symulację numeryczną tego procesu. Badania doświadczalne uwzględniające wyniki symulacji numerycznej i opracowane warunki obróbki cieplno-chemicznej prowadzą do uzyskania wymaganych właściwości użytkowych warstwy nawęglonej i hartowanej próżniowo