Microstructures and mechanical properties in a turbine disc fabricated from astroloy powder

Abstract

Powder metallurgy processing of nickel-base superalloy turbine discs is described. The discs were prepared from hotisostatically pressed Astroloy powder preforms by a single-stage forging operation, followed by machining. The forgeability, machinability, tensile and stress rupture properties of the powder fabricated material were better than, or equivalent to, those of cast material. The fatigue lifetimes obtained in laboratory push-pull tests and the lifetime obtained in a disc exposed to engine testing and ambient temperature spin-rig testing were also good. However the lifetimes obtained from crack detection to final failure were short, indicating either poor resistance to fatigue crack propagation or poor fracture toughness. This problem is examined in terms of the microstructures and minor phase contents of the discs. The microstructures showed incomplete recrystallization in the bore, carbide laden powder particle boundaries both in the bore and the recrystallized rim, and platelets of a brittle M₂ (SC) phase. Modified processing of powder fabricated discs is suggested to circumvent these deficiencies.

Résumé

Dans cet article, les auteurs décrivent la production, par métallurgie des poudres, de disques de turbine en superalliage au nickel. Les disques sont obtenus en une seule operation par forgeage d'ébauches de poudres d'Astroloy prealablement comprimées à chaud et ils sont ensuite usinés.

La forgeabilité, l'usinabilite et les propriétés mécaniques en traction et en fluage de tels disques sont meilleures que celles des disques obtenus par fonderie. La limite de fatigue déterminée en laboratoire par traction-compression et celle obtenue sur un disq ue soumis aux conditions de service de la turbine et à l'essai «spin-rig» à température ambiante se révèlent etre bonnes. Par contre, les limites de fatigues mesurées a partir de la détection d'une fissure jusqu'à la rupture finale sont faibles, suggérant soit une faible résistance à la propagation des fissures soit une faible résilience.

Ce problème a été etudie par examen de la microstructure et des phases secondaires présentes. Ces études révèlent que la recristallisation est incomplète au centre du disque, que des carbures sont présents aux joints entre les particules de poudres autant au centre du disque que dans l'anneau extérieur recristallisé et que des plaquettes d'une phase fragile M₂ (SC) sont présentes. Des modifications au procédé de fabrication de ces disques sont suggérées afin d'éliminer ces déficiences.