Mesoscopic experimental and numerical study of dynamic recrystallization of inconel 718 during hot forging
Contribution à l'étude mésoscopique de la recristallisation dynamique de l'Inconel 718, lors du forgeage à chaud. : Approches expérimentale et numérique
Résumé
Developed in the 60’s, the nickel-base superalloy, Inconel 718, is widely used for hot parts of aircraft engines. The hot forging process confers to the alloy its final microstructure and its mechanical properties. The control of the process requires a deep knowledge of the interactions between the hardening phenomena and the dynamic recrystallization for the various thermomechanical conditions which are used. The present study mainly focuses on the experimental characterization of the phenomena linked to hot forging in the super-δ-solvus domain (1050 °C), as well for a single pass process as for a multipass one. Hot compression tests are used to simulate forging. After deformation, samples are helium quenched in order to freeze the microstructure that allows understanding its evolution as a function of the thermomechanical parameters (ε, and T). Microstructure analyses have then been performed using optical and scanning microscopy, EBSD, and neutron diffraction. A specific attention is paid on the study of the -phase evolution as it has a direct influence on the mechanical properties of the alloy. Its evolution is followed along thermal and thermomechanical treatments. The measure of the static and dynamic precipitation kinetics has led to a better understanding of the -phase role during hot forging at temperatures below solvus (980 °C). A sequential coupling is developed, based on two models; the first one is a crystal plasticity model implemented in a finite element code (CPFEM), the second one being a modeling of recrystallization using a cellular automata approach. The coupling allows the evolutions of the mechanical fields and the microstructure to be simulated during hot forging. The numerical results fit correctly most of the experimental data, mechanical and structural.
L’Inconel 718 est un superalliage base nickel, élaboré dans les années 60, utilisé dans la fabrication de pièces pour les parties chaudes des moteurs d’avion. Il acquiert ses propriétés mécaniques et sa microstructure finale au cours du procédé de mise en forme appelé forgeage à chaud. La maîtrise de ce procédé nécessite de comprendre l’interaction entre les phénomènes d’écrouissage et de recristallisation dynamique tout en intégrant l’influence de diverses conditions thermomécaniques. Cette étude s’est focalisée, expérimentalement, sur les phénomènes liés au forgeage à chaud en mise en forme unipasses et multipasses super-δ-solvus (1050 °C). Afin de les caractériser, des essais de compression ont été réalisés à l’échelle de pions. Des trempes à l’hélium, après déformation, ont permis de figer les microstructures dans le but de comprendre leur évolution en fonction des paramètres thermomécaniques (ε, et T). Des observations ont ensuite été réalisées expérimentalement : microscopie optique et à balayage, EBSD et diffraction des neutrons. Une attention particulière a été portée sur l’évolution de la phase δ, influençant indirectement les propriétés mécaniques de l’alliage, au cours de traitements thermiques puis thermomécaniques. La quantification ainsi que la détermination des cinétiques d’évolution statiques et dynamiques de cette phase a permis de mieux comprendre son influence au cours du forgeage sub-δ-solvus (980 °C). Un chaînage séquentiel a été développé entre deux modèles, l’un de plasticité cristalline implémenté dans un code éléments finis (CPFEM) et l’autre de recristallisation, implémenté dans un code automates cellulaires. Ce chaînage séquentiel permet de décrire les évolutions de champs mécaniques et de microstructures au cours du forgeage à chaud et a été validé par une comparaison avec les résultats expérimentaux. MOTS CLÉS : forgeage à chaud, Inconel 718, recristallisation dynamique, mise en forme multipasses, phase δ, plasticité cristalline (CPFEM), automates cellulaires, chaînage séquentiel, agrégats polycristallins 3D.
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