Resumen de Broaching of udimet 720 Li: assessment of surface integrity combining experimental and finite element modelling approaches
Gorka Ortiz de Zarate Bengoa
- español
El Inconel 718 es la aleación base níquel más utilizada en la fabricación de discos de turbina de baja presión en la industria aeroespacial. Sin embargo, la necesidad de reducir las emisiones ha alentado a los fabricantes a mejorar la eficiencia de los motores, que está limitada principalmente por la capacidad del material de la turbina. En este escenario, el Udimet 720 Li es una aleación muy prometedora para sustituir al Inconel 718 debido a sus mejores propiedades termomecánicas. No obstante, el cambio de material puede requerir el ajuste de las condiciones de fabricación del disco para garantizar la calidad del componente. El brochado es uno de los procesos de mecanizado más críticos debido a su gran influencia en la integridad superficial y, en consecuencia, en la vida a fatiga. Sin embargo, el conocimiento de este proceso de mecanizado es limitado. Por ello, es necesario realizar ensayos experimentales, basados en la estrategia de prueba-error, para seleccionar las condiciones óptimas de brochado, lo que es muy costoso. Asimismo, proporciona información limitada sobre la física implicada en la generación de la integridad superficial. Por lo tanto, los modelos predictivos están surgiendo como uno de los enfoques más prometedores para abordar estas cuestiones.
Por tanto, el objetivo principal de este doctorado es evaluar la influencia de las condiciones de corte y la geometría de la herramienta en la integridad superficial al brochar Udimet 720 Li combinando enfoques experimentales y de elementos finitos. Se desarrolló un modelo de elementos finitos de corte ortogonal para predecir variables fundamentales (fuerzas y morfología de la viruta) y de integridad superficial (tensiones residuales y daños microstructural). Se caracterizaron los parámetros de entrada necesarios que describen el comportamiento del material y la fricción entre la herramienta y la viruta. La caracterización completa del Udimet 720 Li incluye las propiedades microestructurales, termomecánicas, de fallo dúctil y térmicas. Se ha desarrollado una nueva ley de fluencia que reproduce los fenómenos de recristalización dinámica y el acoplamiento entre la velocidad de deformación y la temperatura con un error inferior al 6%. Además, se ha propuesto un nuevo modelo de fallo dúctil que considera la influencia no monótona de la temperatura y la triaxialidad de tensiones, así como el acoplamiento entre la velocidad de deformación y la temperatura. Para ello, se ha combinado la Correlación Digital de Imágenes con la simulación numérica. La fricción entre el Udimet 720 Li y el material de la herramienta T15 (acero rápido) en condiciones cercanas al brochado se ha caracterizado mediante un método experimental nuevo desarrollado. Los resultados siguen el modelo de Zorev con coeficientes de fricción superiores a 1.
También, se han realizado ensayos de brochado experimentales variando las condiciones de corte y la geometría de la herramienta para analizar su influencia en variables fundamentales (fuerzas y viruta) e integridad superficial (microtopografía, tensiones residuales y daño microstructural). La caracterización de la micro-topografía incluye indicadores de rugosidad 2D y 3D, así como la observación de la ondulación de la superficie producida por la excitación local generada por la entrada y salida de los dientes. Las tensiones residuales se analizaron combinando la técnica de difracción por rayos X con la perforación de agujeros para obtener un mapa completo del estado de tensiones de la superficie mecanizada. Por último, en el análisis del daño microstructural, los principales defectos fueron el strain hardening y surface drag. El análisis cuantitativo realizado mediante el EBSD combinad con el KAM, la desorientación local y GOS reveló cerca del doble de deformación con estas técnicas que con el microscopio óptico. Los resultados de Full Width at Half Maximum han mostrado que la deformación en la superficie es dos veces mayor que en el material base.
- English
Inconel 718 is the most widely used nickel-based alloy in the manufacture of low-pressure turbine discs for the aerospace industry. However, the need to reduce the emissions of jet engines is driving manufacturers to improve engine efficiency, which is mainly limited by the capacity of the turbine material to withstand the high thermomechanical loads involved in the combustion process. In this regard, the Udimet 720 Li alloy has emerged as a promising alternative to Inconel 718, due to its improved thermomechanical properties. Nonetheless, any change of material requires extensive study of the manufacturing conditions to ensure component quality, and at present, there is little published data available on the manufacturing characteristics of Udimet 720 Li.
Broaching is commonly employed in the manufacture of turbine disc fir tree roots, which facilitate the blade to disc connection. Fir trees are subjected to high local stresses induced by centrifugal forces and thermal stresses. Broaching is therefore considered one of the most critical machining processes of the manufacturing route of turbine discs, because its considerable influence on surface integrity has a direct impact on the fatigue life of the component. Nevertheless, there is limited knowledge about both this machining process and how surface integrity is generated. At present, the definition of process window parameters requires numerous experimental tests, which is costly and time consuming. One further disadvantage is that such tests provide limited information about the physics involved in surface integrity generation. Interestingly, predictive modelling is emerging as one of the most promising approaches to address these issues.
Against this backdrop, the main goal of this thesis is to assess the influence of cutting conditions and tool geometry on surface integrity when broaching Udimet 720 Li, combining experimental and finite element approaches. To this end, an orthogonal cutting finite element model was developed to predict fundamental outputs of the cutting process (forces and chip morphology) and surface integrity outcomes (residual stresses and microstructural damage). The required input parameters that describe the material and the tool-chip friction behaviour were characterised.
A comprehensive material characterisation of Udimet 720 Li including microstructural, thermomechanical, ductile failure, and thermal properties is presented in this thesis. A key contribution of this work is the development of a new flow stress model that accurately reproduces the Dynamic Recrystallisation phenomena and the coupling between strain rate and temperature. A novel ductile failure model is also proposed, that considers the non-monotonic influence of temperature and stress triaxiality, and the coupling between strain rate and temperature. A combination of Digital Image Correlation and numerical simulation techniques was employed, with the result that the proposed ductile failure model correctly predicts fracture strain. The friction between Udimet 720 Li and the tool material T15 (High-Speed Steel) under conditions close to broaching was characterised, using a newly developed experimental methodology.
Broaching tests were carried out to validate the modelling results and gain understanding of the scientific variables (forces and chip morphology) and surface integrity aspects (topography, residual stresses, and microstructural damage). In these tests, the cutting conditions (cutting speed and lubrication) and tool geometry (rake angle and rise per tooth) were varied. The topography characterisation includes 2D and 3D roughness indicators. The residual stresses were analysed by combining the X-Ray Diffraction technique with Hole Drilling to obtain a complete map of the stress state of the machined surface. Finally, in the microstructural damage analysis, the primary defects were found to be strain hardening and surface drag. The analysis was conducted using Electron Backscatter Diffraction combined with Kernel Average Misorientation, local misorientation, and Grain Orientation Spread, and revealed that the affected layer thickness was significantly higher of that observed with the optical microscope.
The trends and quantitative values obtained from the simulation were in good agreement with the experimental results in terms of fundamental variables and surface integrity outcomes. The simulated forces and chip morphology faithfully reproduced the experimental trends and values. The model accurately predicted the residual stresses from the surface to their evolution through the depth until the bulk material, as well as the thickness of the stressed layer. Finally, the correlation between the plastic strain obtained from the simulation and the defects observed experimentally was established, where the model also reproduced the experimental trends obtained with the optical microscope and Electron Backscatter Diffraction
- euskara
Inconel 718 da industria aeroespazialean erabiltzen diren presio baxuko turbina diskoak fabrikatzeko nikel oinarrizko aleazio erabiliena. Hegazkinen motorren emisioak murrizteko beharrak motorren eraginkortasuna hobetzera bultzatzen ditu fabrikatzaileak.
Eraginkortasunaren hobekuntza hori batez ere turbina ekoizteko erabiltzen den materialak errekuntza-prozesuan sortzen diren karga termomekaniko handiak jasateko duen gaitasunak mugatuko du. Honen harira, Udimet 720 Li aleazioa Inconel 718 aleazioa ordezkatzeko etorkizun handiko alternatiba gisa sortu da, propietate termomekaniko hobeak baititu. Hala ere, edozein material aldaketak fabrikazio baldintzen azterketa sakona eskatzen du ekoitzitako piezaren kalitatea bermatzeko. Hala ere, aldaketa hori gauzatzen laguntzeko, Udimet 720 Li aleazioaren fabrikazio ezaugarriei buruzko datu gutxi daude argitaratuta.
Brotxaketa turbinetako diskoen fir tree root deritzen ahokalekuak fabrikatzeko erabiltzen da normalean. Ahokaleku horiek errotoreko besoen eta diskoen arteko lotura errazten dute. Fir tree ahokalekuek tentsio lokal handiak jasaten dituzte indar zentrifugoek eraginda, hala nola karga termikoen ondorioz. Horregatik, turbina diskoen fabrikazio-prozesu osoko mekanizazio eragiketa kritikoentzat jotzen da brotxaketa, hain zuzen ere gainazal integritatean eragin handia duelako, eta ondorioz eragin zuzena osagaiaren neke bizitzan. Hala ere, mekanizazio eragiketa horri buruzko ezagutzak eta gainazal integritateari buruzkoak mugatuak dira. Gaur egun ere fabrikazio-prozesuaren parametroen definizioak saiakuntza esperimental ugari egitea behartzen du, eta ondorioz denbora eta diru asko xahutzea. Gainera, saiakuntza horiek gainazal integritatea sortzen duen fisikari buruzko informazio mugatua ematen dute. Arazo horiei aurre egiteko simulazio prediktibo fidagarriak burutzea da aukera itxaropentsuenetakoa.
Testuinguru horretan, tesi honen helburu nagusia ebaketa-baldintzek eta erramintaren geometriak Udimet 720 Li brotxatzean sortzen duen gainazal integritatea aztertzea da, teknika esperimentalak eta elementu finituen bidezko simulazioak konbinatuz. Horretarako, ebaketa ortogonala simulatzen duen elementu finituen modelo bat garatu da, ebaketa prozesuaren funtsezko aldagaiak (indarrak eta txirbilaren morfologia) eta gainazal integritatea (hondar tentsioak eta mikroegituran sortatutako kaltea) aurreikusteko. Modeloa definitzeko, materialaren portaera, eta erremintaren eta txirbilaren arteko marruskadura deskribatzen dituzten beharrezko parametroak karakterizatu dira.
Udimet 720 Li materialaren karakterizazio sakona egin da eta tesi honek bere mikroegituraren ezaugarriak, propietate termomekanikoak, haustura harikorraren ezaugarriak eta termikoak aurkezten ditu. Ikerketa lan honen ekarpen nagusienetako bat isurpen modelo berri baten garapena da. Modelo honek birkristalizazio dinamikoko fenomenoak, eta deformazio abiaduraren eta tenperaturaren arteko akoplamendua zehaztasunez aurreikusten ditu.
Halaber, haustura harikorraren modelo berri bat ere proposatu da, zeinak tenperaturaren eragin ez-monotonoa, tentsioen triaxialtasuna, eta deformazio abiaduraren eta tenperaturaren arteko akoplamendua kontutan hartzen dituen. Irudien korrelazio digitala eta zenbakizko simulazioa konbinatu dira garatutako haustura harikorraren modeloak haustura deformazioa zehatz iragartzeko gai dela ziurtatzeko. Era berean, Udimet 720 Li aleazioaren eta T15 erremintako materialaren (altzairu lasterra) arteko marruskadura karakterizatu da brotxaketa baldintzetatik gertu, horretarako garatu den metodologia esperimental berri bati esker.
Brotxatze saiakuntza esperimentalak egin dira modelizazioaren emaitzak balioztatzeko eta prozesuan sortutako aldagai zientifikoei buruzko (indarrak eta txirbilaren morfologia) eta gainazal integritatearen inguruko (topografia, hondar tentsioak eta mikroegituran sortatutako kaltea) oinarrizko ezagutza areagotzeko. Saiakuntza horietan ebaketabaldintzak (ebaketa abiadura eta lubrifikazio ) eta erremintaren geometria (jaulkitze aurpegiaren angelua eta hortzeko aitzinapena) aldatu dira. Topografia aztertzeko 2D eta 3D zimurtasun adierazleak aztertu dira. Hondar tentsioak aztertzeko X izpien difrakzio eta Hole-drilling teknika konbinatu dira, modu horretan mekanizatutako gainazalaren tentsio egoeraren mapa osoa lortu delarik. Azkenik, mikroegiturak jasandako kaltearen analisiak akats nagusiak deformazioagatiko gogortzea eta surface drag (gehiegizko deformazio plastikoaren ondorioz deformatutako aleak) direla ondorioztatu du. Analisia Atzeradispertsio Bidezko Elektroien Difrakzioaren bidez egin da, Kernel Average Misorientation, local misorientation, eta Grain Orientation Spread aldagaiak ere aztertuz.
Azken analisi honek brotxatze-prozesuak eragindako geruzaren lodiera mikroskopio optikoarekin behatutakoa baino nabarmen handiagoa dela agerian utzi du.
Brotxatze prozesuaren simulazioen emaitzen azaltzen dituzten joerak zein balio kuantitatiboak emaitza esperimentalekin bat datoz, bai oinarrizko aldagaietan, bai gainazal integritatea definitzen duten parametroetan ere. Simulazioetan lortutako indarrek eta txirbil morfologiek emaitza esperimentalak fidelki iragarri dituzte. Modeloak zehaztasunez aurreikusten ditu hondar tentsioak gainazaletik oinarrizko materialera iritsi arte, sakoneran daudenak eta hondar tentsioek eragindako geruzaren lodiera ere. Azkenik, simulaziotik lortutako deformazio plastikoaren eta esperimentalki behatutako akatsen arteko korrelazioa ezarri da, non modeloak mikroskopio optikoarekin lortutako joera esperimentalak zein atzeradispertsio bidezko elektroien difrakzioarekin ikusitakoak iragartzen dituen.
