Physical simulation of investment casting of Mar-M247 Ni-based superalloy

Mar-M247 is a Ni-based superalloy developed for high temperatures applications, such as advanced jet engines, where high strength and excellent creep resistance are required. Investment casting process has been widely used for fabrication of complex shape parts and is only commercially technique for fabrication of nozzle guide vanes (NGVs) known as a one of the most important structural parts of engines and gas turbines. Nevertheless, the development of NGVs is hindered by the complexity of investment casting process of complex shape parts. Therefore, there is high demand to find and apply a method to overcome those drawbacks. Physical simulation of investment can be a method to tackle these shortcomings. Physical simulation of investment casting was developed to mimic solidification of alloy during investment casting of new generation NGVs from Mar-M247 by high capability physical simulator machines. This tool, consisting of thermal model and melting/solidification experiments, is the exact reproduction of the thermal and mechanical history of full scale investment casting process in the laboratory scale. Initially, the Pro-Cast based thermal model was developed, validated and applied to predict local cooling rates at defined points of NGVs. Then, the outcomes of the modeling were used as input parameters for the melting/solidification experiments in the thermo-mechanical simulator Gleeble 3800. Finally, the validation of physical simulation was carried out by comparison of microstructural and hardness properties of Gleeble specimens and as-cast NGV. In addition, in order to get a deeper insight into the correlation between Mar-M247 characteristics with casting/solidification conditions. Complementary study on SDAS showed that temperature gradient should be taken into account as an effective factor influencing the SDAS. Furthermore, the skin formation and its grain texture were studied by utilizing the combination of electron back skater diffraction (EBSD) and nanoindentation method.La aleación Mar-M247 es una superaleación base níquel desarrollada para aplicaciones de alta temperatura, como por ejemplo en motores a reacción avanzados, donde alta resistencia y resistencia a fluencia son necesarias. La fundición de precisión a la cera perdida ha sido utilizada ampliamente para la fabricación de los álabes guía de turbina (NGV, por sus siglas en inglés), una de las partes estructurales más importantes en motores y turbinas. No obstante, el desarrollo de dichos álabes esta obstaculizado por la complejidad del proceso de moldeo por colada para formas complejas. Por ello, existe una alta demanda para encontrar y aplicar un método que salve estas desventajas. La simulación física del proceso de colada puede ser ese método buscado. La simulación física del proceso de colada fue desarrollada para imitar la solidificación de la aleación Mar-M247 durante la fundición de precisión de la nueva generación de NGVs por máquinas de simulación física de altas capacidades. Esta herramienta, consiste en un modelo térmico sumado a ensayos de fusión/solidificación, y es la reproducción exacta, a nivel de laboratorio, de la historia térmica y mecánica a gran escala del proceso de fundición. Inicialmente fue desarrollado, validado y aplicado el modelo térmico basado en Pro-Cast para predecir las velocidades de enfriamiento locales en puntos definidos de los NGVs. A continuación los resultados de la modelización se usaron como parámetros iniciales para los experimentos de fusión/solidificación en el simulador termo-mecánico Gleeble 3800. Por último la simulación física fue validada por comparación de las propiedades microestructurales y la dureza entre las muestras procesadas en Gleeble y los propios NGVs. Además, con el objetivo de obtener una visión más profunda de la correlación entre las características de la aleación Mar-M247 y las condiciones de fundición/solidificación, se investigaron los efectos de las variables del proceso de solidificación y doble tratamiento térmico en la microestructura y la dureza. Queda demostrado que la simulación física reproduce y predice correctamente todos los aspectos microestructurales. Un estudio complementario del SDAS mostró que el gradiente de temperatura debe tomarse en cuenta como un factor importante que influencia el SDAS. Además, la formación de la parte más superficial y su textura granular fue estudiada utilizando una combinación de difracción de electrones retrodispersados (EBSD, por sus siglas en inglés) y nanoindentación.This investigation was supported by EU, ERA-Matera+, 7th Framework Programme through the project VANCAST “Next generation nozzle guide vanes”.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de MaterialesPresidente: José Manuel Torralba Castello.- Secretario: María Teresa Pérez Prado.- Vocal: Javier Segurado Escuder