Nya verktyg för nästa generations superlegeringar
Nyheter
Förstudieprojektet Phenix har undersökt hur beräkningsverktyg för design av nickelbaserade superlegeringar kan göras mer träffsäkra. Resultaten ger nya insikter om utskiljningshärdning och lägger grunden för snabbare och mer kostnadseffektiv utveckling av högpresterande material för framtidens energi- och transporttillämpningar.
Nickelbaserade superlegeringar används i krävande miljöer där material behöver tåla höga temperaturer och höga mekaniska belastningar. De är viktiga inom bland annat flygindustrin och kraftgenerering, och är även relevanta för nya tillämpningar inom bioenergi och geotermiska system.
I Phenix (Design av utskiljningshärdning för nästa generations uthålliga nickelbas superlegeringar) har forskarna fokuserat på att förbättra förståelsen och förutsägelsen av utskiljningshärdning i nickelbaserade superlegeringar. Utskiljningshärdning uppstår när fina nanoskaliga partiklar bildas i materialets matris. Partiklarna hindrar dislokationsrörelse, vilket gör att högre spänning krävs för deformation. Resultatet blir ökad hållfasthet och hårdhet.
En central utmaning är att dagens beräkningsmodeller för utskiljningshärdade nickelbaserade superlegeringar fortfarande har begränsad noggrannhet, särskilt när det gäller att förutsäga utskiljningskinetik och volymfraktioner. Samtidigt saknas tillräckliga experimentella valideringsdata som på ett statistiskt representativt sätt visar hur nanoskaliga utskiljningar utvecklas under värmebehandling.
Bättre beräkningsverktyg skulle kunna minska både utvecklingstid och kostnader avsevärt. De skulle också göra det möjligt att utvärdera robustheten hos materialsammansättningar och processer på ett sätt som är svårt att uppnå enbart genom experiment.
– Projektets huvudsakliga mål var att identifiera och validera hur beräkningsverktyg för design av nickelbaserade superlegeringar kan förbättras genom att integrera simuleringar med avancerad experimentell karakterisering, säger Zhangting He, forskare på Swerim och projektledare för Phenix.
Projektet identifierade flera utmaningar. Utskiljningsprocessen är komplex, med flera faser, små partikelstorlekar och höga volymfraktioner, vilket gör den experimentella analysen svår. Det fanns också begränsningar i möjligheten att detektera nanoskaliga utskiljningar, särskilt i de tidiga stadierna av processen. Dessutom observerades skillnader mellan simuleringsresultat och experimentella data, framför allt när det gäller volymfraktioner.
Konsortiet samlade industripartners, programvaruutvecklare och forskningsinstitut. Industripartnerna bidrog med material och definierade tillämpningsbehov, vilket gav projektet en tydlig industriförankring. Thermo-Calc tillhandahöll modelleringsverktyg och expertis, medan Swerim genomförde experiment vid storskaliga forskningsanläggningar, utförde dataanalys och utvecklade metoder för att mäta nanoskaliga utskiljningar. Swerim samarbetade även med industripartners kring laboratoriebaserade experiment och analyser som kompletterade mätningarna vid forskningsanläggningarna.
Tillsammans kunde konsortiet identifiera viktiga brister i dagens modelleringsverktyg och definiera riktningar för framtida arbete.
Projektet bestod av två huvuddelar: mätningar vid storskaliga forskningsinfrastrukturer och modellering av utskiljningshärdade material. Bland de viktigaste resultaten finns en ökad förståelse för hur storskaliga forskningsanläggningar kan användas för att karakterisera nickelbaserade superlegeringar, identifiering av centrala brister i befintliga modelleringsverktyg samt rekommendationer för hur beräkningsverktyg för utskiljningsmodellering kan förbättras.
Resultaten bidrar till en djupare förståelse för utskiljningskinetik i tidiga stadier och för samutskiljning av primära och sekundära faser.
– Projektet har också genererat validerade experimentella data som kan användas för att förbättra och kalibrera framtida modeller för nickelbaserade superlegeringar, säger Zhangting He.
Under projektets gång gjordes även flera oväntade observationer. Bland annat noterades betydande skillnader mellan förutsagda och uppmätta volymfraktioner av utskiljningar. Resultaten indikerade också att utskiljningsbeteendet är långsammare och mer komplext än tidigare förväntat. Dessutom bekräftades att olika spridningstekniker krävs beroende på legeringens sammansättning.
Resultaten kommer nu att användas för att vidareutveckla och förbättra beräkningsverktygen, med fokus på att utöka deras giltiga sammansättningsområde och skapa mer exakta beskrivningar av utskiljningsmekanismer och kinetik i nickelbaserade superlegeringar.
Ett fullskaligt uppföljningsprojekt, RePhenix (Tillförlitlig modelleringsmetod för utformning av utskiljningshärdning i nästa generations högpresterande nickelbaserade superlegeringar), har redan initierats inom Swedish Metals & Minerals. Med utgångspunkt i resultaten från Phenix ska projektet vidareutveckla beräkningsverktygen och ta fram ännu mer noggranna valideringsdata med hjälp av den kunskap som genererats genom mätningarna vid de storskaliga forskningsanläggningarna.
– Målet är att både förbättra beräkningsverktygen och ta fram ännu mer noggranna valideringsdata, baserat på den kunskap som genererats genom mätningarna vid de storskaliga forskningsanläggningarna, säger Zhangting He.
En ny partner med kompetens inom atomprob-tomografi har också anslutit till konsortiet. På sikt förväntas de validerade modelleringsverktygen implementeras i programvara och användas av industripartners för direkt tillämpning inom legeringsdesign och processoptimering.
Phenix genomfördes som en förstudie inom Swedish Metals & Minerals. Resultaten utvecklas nu vidare i det fullskaliga projektet RePhenix.