Stress localizations in notches for a coarse grained Ni-based superalloy : simulations and experiments

Alloys used for turbine blades have to safely sustain several thermomechanical loadings during service, some examples are the centrifugal loadings, creep and high temperature gradients. Materials suitable for these kind of applications are Ni-based superalloys, which can be cast in single-crystal or coarse-grained polycrystalline form. When the micro-structure of metal features a coarse-grained structure, its mechanical behaviour is predominantly anisotropic making difficult the adoption of classical fatigue approaches. For industrial design, the uncertainty on numerical estimations introduced by the anisotropy is taking into account by increasing the safety factors, leading conservative components design. In this thesis, the effect of micro-structure was considered using Crystal Plasticity Finite Elements (CPFEM) simulations, an advanced tool that allows to forecast stress and strain distribution at grain level. CPFE simulations give a more reliable forecasts of the material behaviour, allowing a more efficient design of the components. Stress and strain fields at grain level of metals are deeply studied in literature, but the majority of works deal with grain structures not bigger than several hundreds of microns. The present investigation focuses on a coarse grained micro-structure which is comparable with the dimensions of the components geometrical features. The main aim of this work is to investigate the effect of sharp notches on the distribution of strains inside the material. To do that, a series of numerical simulations were performed and verified experimentally using Digital Image Correlation (DIC) technique. Specimens used for this investigations presents two holes that simulate the cooling air ducts inside the turbine blades. In order to perform finite element (FE) simulations with crystal plasticity a series of material parameters are required. The first step was the calibration of the material model. The CP parameters were then used to simulate a realistic FE model in which the micro-structure changes randomly giving different mechanical answers. Random micro-structures were generated with an in-house software, that exploits the Voronoi tessellation method to create grain boundaries. Differently from other Voronoitessellation software, the code developed in this work can generate semi 2D-grain structures, that is very similar to the one found in the notched plate specimens. Micro-structures generated with this code allows to get a statistical evaluation on the variability of both stress and strain concentration factors. The same methodology was adopted to evaluate the variability of number of cycles to failure. Numerical results were finally evaluated experimentally showing a good fitting. The methodology showed considered the anisotropy of the coarse-grained material in the design phase, that can lead to the development of a statistical fatigue assessment. Such an assessment can be used to evaluate the risk of failure for a component under specific load conditions. All the data have been obtained within a research contract between Ansaldo Energia and Politecnico di Milano, Department of Mechanical Engineering. Data about tests cannot be disclosed because of the confidentiality agreement between the two parties and, therefore, figures and tables do not report full details.

Le leghe utilizzate per le pale di turbina devono sostenere diversi carichi termomeccanici durante il servizio, alcuni esempi sono i carichi centrifughi, il creep ed alti gradienti di temperatura. I materiali indicati per questo tipo di applicazioni sono le super leghe a base Nickel, che possono essere prodotte nella forma di singolo cristallo oppure policristalli a grani grossi. Quando la micro-struttura del metallo è del tipo a grani grossi, il suo comportamento meccanico è prevalentemente anisotropo rendendo difficile l’adozione dei classici criteri di fatica. Per la progettazione industriale, l’incertezza della stima numerica dovuta all’anisotropia è tenuta in considerazione incrementando il coefficiente di sicurezza, portando as una progettazione conservativa dei componenti. In questa tesi l’effetto della micro-struttura è stato considerato utilizzando simulazioni con la Crystal Plasticity agli elementi finiti (CPFEM), uno strumento all’avanguardia che permette di prevedere la distribuzione degli sforzi e delle deformazioni a livello dei grani cristallini. Le simulazioni CPFE restituiscono una previsione più affidabile del comportamento del materiale, consentendo una progettazione più efficiente dei componenti meccanici. I campi di sforzo e deformazione a livello dei grani cristallini dei materiali è ampiamente studiato in letteratura, ma la maggior parte dei lavori proposti tratta di grani cristallini non più grandi di alcuni centinaia di micron. La presente indagine è focalizzata su strutture cristalline a grani grossi le cui dimensioni sono comparabili a quelle dei particolari geometrici dei componenti. L’obiettivo principale di questo lavoro di tesi è di indagare l’effetto di intagli acuti sulla distribuzione delle deformazioni all’interno del materiale. Per fare questo, una serie di simulazioni numeriche sono state effettuate e verificate sperimentalmente grazie all’utilizzo della tecnica della Digital Image Correlation (DIC). I provini utilizzati per questa indagine presentano due fori che simulano i condotti di raffreddamento interni delle pale di turbina. Per effettuare simulazioni agli elementi finiti con la crystal plasticity sono richiesti un certo numero di parametri del materiale. Il primo step è stata la calibrazione del modello del materiale. I parametri ottenuti sono stati poi utilizzati per simulare un modello realistico in cui la micro-struttura cambia in maniera random dando diverse risposte meccaniche. Le micro-strutture random sono state generate con un software "in-house", che utilizza il metodo della tassellizzazione di Voronoi per creare i bordi di grano. Al contrario di altri software che utilizzano la tassellizzazione di Voronoi, il codice sviluppato in questo lavoro di tesi può generare delle micro-strutture semi-2D, che sono molto simili a quelle reali dei provini intagliati. Le micro-strutture generate con questo codice consentono di fare una valutazione statistica sulla variabilità del coefficiente di concentrazione sia degli sforzi che delle deformazioni. La stessa metodologia è stata utilizzata per valutare la variabilità del numero di cicli a rottura. I risultati numerici sono stati valutati sperimentalmente mostrando ottimi risultati. La metodologia proposta considera l’anisotropia dei materiali a grani grossi nella parte progettuale, che può portare allo sviluppo di una valutazione statistica della fatica. Una metodologia del genere può essere usata per valutare il rischio di rottura di un componente soggetto a determinate condizioni di carico. Tutti i risultati sono stati ottenuti all’interno di un contratto di ricerca tra Ansaldo Energia e il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano. I dati riguardanti i test non possono essere rivelati a causa di un accordo di confidenzialità tra le parti e, di conseguenza, figure e tabelle non riportano tutti i dettagli.