Fast Mapping of Microstructure and Mechanical Properties in Titanium Alloys by Kinetic Diffusion Multiple Approach

Wang, Chuan-Yun (2019). Fast Mapping of Microstructure and Mechanical Properties in Titanium Alloys by Kinetic Diffusion Multiple Approach. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.54505.

Description

Title: Fast Mapping of Microstructure and Mechanical Properties in Titanium Alloys by Kinetic Diffusion Multiple Approach
Author/s:
  • Wang, Chuan-Yun
Contributor/s:
  • Pérez-Prado, María Teresa
  • Cui, Yuwen
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Las aleaciones de titanio beta (/3) contienen cantidades relativamente elevadas de elementos /^-estabilizadores para suprimir la transformación martensítica durante el templado, permitiendo así la retención de una fase bcc a temperatura ambiente. Estos sistemas multicomponente constituyen una clase muy versátil de materiales estructurales, pues están dotados de una excelente resistencia específica, buena tenacidad y elevada resistencia a la fatiga, lo que los convierte en candidatos ideales para aplicaciones en los sectores del transporte, la fabricación de turbinas, y otros. Sin embargo, a pesar de este extraordinario conjunto de propiedades, las aleaciones de titanio j3 poseen todavía una cuota de mercado limitada. Esto es debido, en parte, a que la optimización de composiciones en sistemas ternarios o cuaternarios es compleja debido a la dificultad de aislar el efecto de elementos aleantes individuales. Por otro lado, el conocimiento del amplio abanico de microestructuras que es posible desarrollar en estos materiales mediante tratamientos térmicos es aún limitado. Por todo ello, la optimización de las aleaciones de titanio ¡3 requiere una mayor profundización en las relaciones composición-procesado-microestructura-propiedades. El diseño de aleaciones en sistemas multicomponente mediante métodos convencionales es una tarea que entraña gran dificultad. En primer lugar, dado el elevado número de combinaciones de elementos que se debe ensayar mediante prueba y error, este tipo de estudios conllevan la utilización de grandes cantidades de material y largos tiempos largos de desarrollo. En segundo lugar, la fabricación de monocristales es complicada debido a la inestabilidad promovida por el elevado contenido elementos aleantes. Es, por tanto, necesaria la aplicación de estrategias más eficaces para diseñar aleaciones de titanio j3 con mejores propiedades. El objetivo de esta tesis doctoral es investigar el efecto de los solutos y los precipitados a en el comportamiento micromecánico y en la actividad de distintos sistemas de deslizamiento en las aleaciones monocriscalinas Ti-xAl-yMo-zCr and Ti-xAl-yMo-zV utilizando una metodología de alto rendimiento. Para ello, se ha combinado la fabricación de un elevado número de composiciones mediante la técnica de los múltiplos de difusión con técnicas de caracterización mecánica local como la compresión de micropilares. A continuación se describen los principales hallazgos de esta investigación. En primer lugar, la metodología mencionada se ha utilizado para estudiar el efecto de los solutos en las aleaciones monocristalinas Ti-xAl-yMo-zCr and TixAl- yMo-zV en solución sólida. Se ha encontrado, por ejemplo, que el Cr es un endurecedor más eficaz que el Mo en el sistema Ti-xAl-yMo-zCr, mientras que el último es un endurecedor muy eficaz en el sistema Ti-xAl-yMo-zV. Además, se ha visto que, en la familia Ti-xAl-yMo-zCr la deformación se acomoda mediante el efecto combinado de varios sistemas {110} con valores elevados del factor de Schmid; los sistemas concretos que se activan dependen de la composición y de la orientación cristalina. En cambio, en la familia Ti-xAl-yMo-zV un aumento de Mo da lugar a una mayor actividad de sistemas de deslizamiento {110} con bajos valores del factor de Schmid (deslizamiento anómalo). En segundo lugar, se ha investigado el efecto de los solutos en la sensibilidad a la velocidad de deformación (m) de las aleaciones mencionadas. Se ha encontrado que, en la familia Ti-xAl-yMo-zCr m no varía dentro del rango de composiciones estudiadas. Sin embargo, en la familia Ti-xAl-yMo-zV m depende, para una composición dada, del número de sistemas activos y, además, disminuye con un aumento de Mo. En tercer lugar, se ha analizado el efecto de una elevada densidad de precipitados a de tamaño nanométrico en el comportamiento mecánico y en la actividad de los distintos sistemas de deslizamiento en las aleaciones mencionadas y en un amplio rango de temperaturas. Se ha logrado obtener aleaciones con un límite elástico en compresión cuyo valor supera al de todas las aleaciones comerciales y al de otras aleaciones similares descritas recientemente en la literatura. Además, se ha comprobado que la precipitación suprime la activación del deslizamiento anómalo en las aleaciones con un elevado contenido de Mo. Finalmente, este trabajo demuestra que la técnica de los múltiplos de difusión combinada con ensayos micromecánicos constituye una metodología eficaz y potente para el diseño de nuevos materiales. ----------ABSTRACT---------- Beta titanium alloys are alloyed with sufficient amounts of /5-stabilizer elements (Mo, Cr, V, Nb, etc) to suppress the martensitic transformation during quenching to room temperature, thus allowing for the retention under ambient conditions of a single bcc phase. These multicomponent systems are a very versatile class of materials, with an excellent combination of strength, toughness and fatigue resistance, which, when properly processed, can find applications in the aerospace, gas turbine, and oil and gas sectors. However, despite their extraordinary combination of properties, compared to other Ti alloy types, /5 alloys still have a small market share due to their inherent complexity. In particular, composition optimization in ternary or quaternary /3-Ti alloys is a formidable endeavor due to the difficulty of isolating the influence of individual alloying elements. Furthermore, the knowledge about the very wide range of microstructures that can be via thermomechanical treatments is still limited. Substantial efforts on alloy design, enabled by a deeper understanding of the correlations between composition, processing, microstructure and mechanical behavior, are therefore timely. Alloy design in multicomponent systems by conventional methods is usually a daunting process. First, the large numbers of combinations of elements that must be probed by "trial and error" involve vast amounts of time and large quantities of materials. Second, single crystal studies aimed at determining solute effects or fundamental micromechanical parameters are almost impracticable due to the complexity involved in fabricating single crystals of highly alloyed systems. Clearly more efficient and less time-consuming materials' exploration and design methodologies would be required to discover, prepare, characterize and optimize /3-Ti alloys. The aim of this work is to investigate the effect of solutes and a precipitates on the micromechanical behavior and slip activity of Ti-xAl-yMo-zCr and Ti-xAlyMo- zV bcc Ti alloys using an efficient high throughput methodology. With this aim, an approach including the development of a large number of compositions by the fabrication of a diffusion multiple and micromechanical testing by micropillar compression is put in place. The main findings of this research are described below. First, the mentioned methodology is applied to evaluate the effect of solutes on the two families of alloys in solid solution. The efficiency of specific /3-stabilizers to strengthen quaternary /3-Ti alloys is found to vary for different alloy compositions. More specifically, Cr appears to be a more effective strengthener than Mo in quaternary Ti-xAl-yMo-zCr alloys. Molybdenum is, however, a very potent strengthener of Ti-xAl-yMo-zV alloys. Furthermore, in Ti-xAl-yMo-zCr alloys strain is observed to be carried out by the combined activation of several {110} slip systems that act cooperatively to accommodate strain; the specific systems that become active are found to be dependent on orientation and on composition. In Ti-xAl-yMo-zV an increase in Mo leads to higher levels of activity of slip systems with low Schmid factors (anomalous slip). Second, the present work analyzes the effect of solute additions on the strain rate sensitivity (m) of quaternary /3-Ti alloys belonging to the Ti-xAl-yMo-zCr and Ti-xAl-yMo-zV systems. While m remains unchanged within a wide range of compositions of the Ti-xAl-yMo-zCr system, it is found to decrease with Mo additions in the Ti-xAl-yMo-zV system. The strain rate sensitivity is related to the number of active slip systems and to the operating dislocation mechanisms. Third, the influence of a high density of nanoscale a precipitates on the mechanical behavior and the slip activity of the Ti-xAl-yMo-z V system is also investigated. Alloys with record ultrahigh compressive yield strengths are developed via tailored heat treatments. It is shown that a precipitation suppresses anomalous slip in the alloys with high Mo content. This is attributed to a prominent role of the global SF in slip transfer enabled by the presence of a large number of a variants. Finally, this work demonstrates that diffusion multiples coupled with micromechanical probing constitute an efficient and powerful method for alloy design.

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Item ID: 54505
DC Identifier: http://oa.upm.es/54505/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:54505
DOI: 10.20868/UPM.thesis.54505
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 02 Apr 2019 05:35
Last Modified: 01 Oct 2019 22:30
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