Evolution of microstructure and mechanical properties in linear friction welded waspaloy

The Ni-base superalloy, Waspaloy, was linear friction welded (LFWed) under various processing conditions. Specifically, axial shortening, in which all linear friction welding (LFW) parameters such as amplitude, frequency, pressure, and time are included, was varied from 0.7 to 4.6 mm. In-situ temperature measurements during welding were carried out by placing thermocouples at different locations from the weld interface. Mechanical properties of the weldments in the as-welded and post-weld heat treated (PWHTed) conditions were evaluated using tensile testing, integrated with the optical image correlation Aramis® system, and microhardness measurements. To correlate the process parameters and microstructural changes that affect the mechanical properties, microstructure evolution across the weld in the as-welded and PWHTed conditions was investigated using optical microscopy, electron backscatter diffraction (EBSD), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), transmission electron microscopy (TEM), and micro computed tomography imaging. Tensile testing indicated that there is a critical axial shortening value (2 mm) below which LFWed and PWHTed Waspaloy exhibited weak integrity. At and above this critical shortening, the yield strength and ultimate tensile stress values were more or less the same as those of the parent material. However, total elongation continued to increase with axial shortening even above the critical value due to decrease in the width of the thermomechanically affected zone (TMAZ). The sample with the highest axial shortening (4.9 mm), exhibited an elongation equal to 91 % of the parent material elongation. Weak integrity at axial shortening below 2 mm was mainly due to lack of bonding and/or presence of oxides at the weld interface. Microstructure examination using EBSD mapping revealed that dynamic recrystallization (DRX) occurred in a region about 1 mm wide on either side of the weld interface. In the as-welded condition, SEM and TEM studies indicated that progressive dissolution of γ' precipitates took place from the parent material to the weld interface, where almost no γ' precipitates were observed. The γ' dissolution significantly influenced the hardness profile measured across the TMAZ. The applied post-weld heat treatment (PWHT) restored the hardness in the weld region.The data recorded by thermocouples indicated that during LFW the temperature in the weld area reached up to 50 C below the melting point of the bulk alloy (1330 C). This temperature is well above the liquation temperature of the low melting point components in the alloy (1245 C). The possible occurrence of liquation and consequent microcracking were investigated in this study. It was shown that the high pressure applied during the oscillation and forge phases of the LFW process and the resulting grain refinement contributed in preventing liquation and microcracking in the weldments.Finally, hot compression tests were conducted on Waspaloy in the 1060 to 1140 C temperature range and 0.001 to 1 s-1 strain rate range up to a strain of 0.83 to study the high temperature deformation behavior of the alloy. Flow softening and microstructure investigation indicated that DRX occurred during deformation. For the investigated conditions, the activation energy for hot deformation of Waspaloy was determined to be 462 kJ/mol. The equations relating the dynamic recrystallized (DRXed) grain size to temperature and strain rate were developed from the hot compression experiments. The developed equations were then used to predict the grain size and strain rate in LFWed Waspaloy. The prediction results were validated against experimental findings and data reported in the literature. It was found that the developed equations can reliably predict the grain size of LFWed Waspaloy. Moreover, the predicted strain rate (1520 s-1) was in agreement with the finite element modeling (FEM) data reported in the literature.Le superalliage base Nickel, Waspaloy, est soudé par friction linéaire sous diverses conditions. Précisément, la réduction axiale, dans laquelle tous les paramètres du soudage par friction linéaire (SFL) tels que l'amplitude, la fréquence, la pression et le temps sont inclus, varie de 0.7 à 4.6 mm. Les mesures de température durant le soudage ont été effectuées en plaçant des thermocouples à différents endroits à partir de l'interface soudée. Les propriétés mécaniques des soudures dans les conditions « tel que soudé » et « traité thermiquement après soudure » ont été évaluées par des essais de traction et par mesures de dureté. L'évolution microstructurale à travers la soudure dans les conditions précitées a été étudiée par microscopie optique, EBSD, SEM, TEM et par imagerie tomographique.Les essais de traction ont indiqué qu'il existe une valeur critique de réduction axiale (2 mm) en dessous de laquelle la soudure n'est pas totale. A ce niveau critique de réduction et au delà, les valeurs de limite élastique et de résistance en traction sont plus ou moins les mêmes que celles obtenues dans le matériau de base. Cependant, l'allongement total continue d'augmenter avec la réduction axiale même au delà de la valeur critique à cause de la diminution dans la largeur de la zone affectée thermo-mécaniquement (ZATM). L'échantillon avec la plus grande réduction axiale (4.9 mm) présente un allongement équivalent à 91% de l'allongement du matériau de base. La faible qualité de soudure pour la réduction axiale en-dessous de 2 mm est essentiellement due au manque de lien et/ou à la présence d'oxydes à l'interface de la soudure. L'examen de la microstructure par EBSD a révélé que la recristallisation dynamique (DRX) se produisait dans une région d'environ 1 mm de large de chaque côté de l'interface. Dans la condition « tel que soudé », les études par SEM et TEM ont indiquées que la dissolution progressive des précipités γ' avait lieu du matériau de base vers l'interface de la soudure. La dissolution des γ' influence grandement le profil de dureté mesuré à travers la ZATM. Le traitement thermique après soudure appliqué restaure la dureté dans la zone soudée.Les données enregistrées par les thermocouples ont indiqué que durant le procédé SFL, la température dans la zone soudé atteignait jusqu'à 50 C en dessous du point de fusion du matériau massif (1330 C). Cette température est bien au-dessus de la température de liquéfaction des constituants à faible point de fusion de l'alliage (1245 C). La possibilité de liquéfaction and la conséquente microfissuration a été examinée. Il a été démontré que la haute pression appliqué durant le procédé SFL ainsi que la réduction de taille de grains en résultant contribuent à limiter la liquéfaction et la microfissuration dans les soudures.Finalement, des tests de compression à chaud ont été conduit dans la gamme de température 1060-1140°C et dans la gamme de vitesse de déformation 0.001-1 s-1 pour étudier le comportement en déformation à chaud de cet alliage. Les courbes contrainte-déformation et l'étude de la microstructure ont révélé que la DRX se produisait pendant la déformation. Dans les conditions testées, l'énergie d'activation de déformation serait 462 kJ/mol. Les équations reliant la taille des grains recristallisés dynamiquement à la température et à la vitesse de déformation ont été développées à partir d'expériences de compression à chaud. Les équations développées permettent de prédire la taille de grain et la vitesse de déformation dans le Waspaloy soudé par friction linéaire. Les résultats prédits ont été validés avec les données expérimentales obtenues et celles provenant de la littérature. Il a été démontré que les équations développées peuvent prédire de manière fiable la taille de grain du Waspaloy soudé par friction linéaire. De plus, la vitesse de déformation prédite (1520 s-1) est en accord avec les données de modélisation par éléments finis rapportés dans la littérature