MODELING OF THE PROCESS OF HOT ISOSTATIC PRESSING OF SINGLE CRYSTALS OF NICKEL-BASED SUPERALLOY, TAKING INTO ACCOUNT PLASTIC FLOW AND VACANCY DIFFUSION

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A complex model of pore annihilation during hot isostatic pressing (HIP), which takes into account the simultaneous action of the mechanisms of material plastic flow and diffusive pore dissolution due to the emission of vacancies by the pore surface, has been proposed. The obtained mathematical equations are applied to analyze the kinetics of pore annihilation in single crystals of the nickel-based superalloy CMSX-4 during HIP used for this alloy in industry. It follows from the analysis that both mechanisms (plastic flow and vacancy diffusion) make comparable contributions to the reduction of pore volume under these conditions. As the HIP pressure increases, the contribution of plastic flow increases, while the contribution of vacancy diffusion decreases. Large pores shrink in volume mainly due to the mechanism of plastic flow, however, at the final stage of pore closure, the mechanism of vacancy diffusion is more active. To ensure reliable pore healing by the vacancy mechanism, HIP should be carried out at a moderate argon pressure in the HIP plant.

About the authors

A. I Epishin

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the RAS

Author for correspondence.
Email: a.epishin2021@gmail.com

D. S Lisovenko

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the RAS

Email: lisovenk@ipmnet.ru

References

  1. Shalin R.E., Svetlov I.L., Kachanov E.B., Toloraia V.N., Gavrilin O.S. Single crystals of nickel-based superalloys. Moscow: Mashonostroeniye. 1997. 333 p. [in Russian].
  2. Reed R.C. The Superalloys: Fundamentals and applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 372 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511541285
  3. Epishin A., Link T., Bruckner U., Portella P.D. Investigation of porosity in single-crystal nickel-base superalloys // Proc. the 7th Liege Conference on Materials for Advanced Power Engineering. FZ Jülich, 2002. P. 217–226.
  4. Link T., Zabler S., Epishin A. et.al. Synchrotron tomography of porosity in single-crystal nickel-base superalloys // Mat. Sci. Eng. A. 2006. V. 425. P. 47–54. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.03.005
  5. Epishin A., Link T., Svetlov I.L. et.al. Mechanism of porosity growth during homogenisation in single crystal nickel-based superalloys // Int. J. Mater. Res. 2013. V. 104. P. 776–782. https://doi.org/10.3139/146.110924
  6. Lecomte-Beckers J. Study of microporosity formation in nickel-base superalloys // Metall. Trans. A. 1988. V. 19. № 9. P. 2341–2348. https://doi.org/10.1007/BF02645058
  7. Anton D.L., Giamei A.F. Porosity distribution and growth during homogenization in single crystals of a Nickel-base superalloy // Mater. Sci. Eng. 1985. V. 76. P. 173–180. https://doi.org/10.1016/0025-5416(85)90091-6
  8. Toloraya V.N., Zuev A.G., Svetlov I.L. Effect of conditions of directed solidification and heat treatment on porosity in creep resistant nickel alloy single crystals // Izv. Akad. Nauk SSSR. Metally. 1991. № 5. P. 70–76.
  9. Fullagar K.P.L., Broomfield R.W., Hulands M. et al. Aero engine test experience with CMSX-4® alloy single-crystal turbine blades // J. Eng. Gas Turbines Power. 1996. V. 118. P. 380–388. https://doi.org/10.1115/1.2816600
  10. Epishin A.I., Link T., Fedelich B. et al. Hot isostatic pressing of single-crystal Ni-base superalloys: mechanism of pore closure and effect on mechanical properties // MATEC Web of Conferences. 2014. V. 14. P. 08003. https://doi.org/10.1051/matecconf/20141408003
  11. Reed R.C., Cox D.C., Rae C.M.F. Damage accumulation during creep deformation of a single crystal superalloy at 1150 °C // Mater. Sci. Eng. A. 2007. V. 448. № 1–2. P. 88–96. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.11.101
  12. Epishin A., Fedelich B., Link T. et al. Pore annihilation in a single-crystal nickel-base superalloy during hot isostatic pressing: Experiment and modelling // Mat. Sci. Eng. A. 2013. V. 586. P. 342–349. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.08.034
  13. Epishin A.I., Bokstein B.S., Svetlov I.L. et al. A vacancy model of pore annihilation during hot isostatic pressing of single crystals of nickel-base superalloys // Inorg. Mater. Appl. Res. 2018. V. 9. P. 57–65. https://doi.org/10.1134/S2075113318010100
  14. Epishin A.I., Lisovenko D.S., Alymov M.I. A model of diffusion annihilation of gas-filled spherical pores during hot isostatic pressing // Mech. Solids. 2025. V. 60. № 1. P. 136–157. http://doi.org/10.1134/S0025654424604981
  15. Čadek J. The back stress concept in power law creep of metals: A review // Mater. Sci. Eng. 1987. V. 94. P. 79–92. https://doi.org/10.1016/0025-5416(87)90324-7
  16. Epishin A., Fedelich B., Nolze G. et al. Creep of single crystals of nickel-based superalloys at ultra-high homologous temperature // Metall. Mater. Trans. A. 2018. V. 49. P. 3973–3987. https://doi.org/10.1007/s11661-018-4729-6
  17. Epishin A.I., Fedelich B., Viguier B. et al. Creep of single-crystals of nickel-base γ-alloy at temperatures between 1150 °C and 1288 °C // Mater. Sci. Eng. A. 2021. V. 825. P. 141880. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141880
  18. Epishin A., Camin B., Hansen L. et. al. Refinement and experimental validation of a vacancy model of pore annihilation in single-crystal nickel-base superalloys during hot isostatic pressing // Adv. Eng. Mater. 2020. V. 23. № 7. P. 2100211. https://doi.org/10.2139/ssrn.3751560
  19. Klingelhöffer H., Epishin A., Link T. Low cycle fatigue of the single-crystal nickel-base superalloy CMSX-4 - Anistropy and effect of creep damage // Mater. Testing. 2009. V. 51. № 5. P. 291–294. https://doi.org/10.3139/120.110035
  20. Epishin A.I., Alymov M.I. Deformation and fracture of single crystals of nickel-base superalloys CMSX-4 and CMSX-10 under conditions of creep and fatigue loading // Russian Metallurgy (Metally). 2023. V. 2023. № 4. P. 460–465. https://doi.org/10.1134/S0036029523040079
  21. Epishin A.I., Nolze G., Alymov M.I. Pore morphology in single crystals of a nickel-based superalloy after hot isostatic pressing // Metall. Mater. Trans. A. 2023. V. 54. P. 371–379. https://doi.org/10.1007/s11661-022-06893-x
  22. Orlov M.A. Technological maintenance of the service life of the working blades of the first turbine stages of aircraft and ground-based gas turbine engines. Diss. for the degree of Doctor of Technical Sciences. Moscow, 2008. 207 p.
  23. Epishin A., Link T., Portella P.D., Brückner U. Evolution of the γ/γ′ microstructure during high-temperature creep of a nickel-base superalloy // Acta Mater. 2000. V. 48. № 16. P. 4169–4177. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(00)00197-X
  24. Wilkinson D.S, Ashby M.F Pressure sintering by power law creep // Acta Metallurgica. 1975. V. 23. № 11. P. 1277–1285. https://doi.org/10.1016/0001-6160(75)90136-4

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».