Effect of surface state on oxidation and precipitation in Inconel 718

Inconel 718 is a nickel superalloy which used for multiple applications, such as turbine disks, blades and combustion chambers, thanks to its good mechanical properties at high temperature and its excellent resistance to oxidation. Since the material is usually subjected to time-varying stresses in its operating fields, surface treatments such as shot peening can be implemented, which, by introducing residual compressive stresses into the surface layer of the material, can increase its fatigue life. However, roughness and other features such as the microstructure in the shot peened layer are modified by these treatments; as oxidation is closely related to the surface conditions of the material, variations such as those due to shot peening can have an influence on the development of this phenomenon, which in some cases can be dangerous for the strength of the material itself. In this study, the effect of the surface state on the behaviour of Inconel 718 alloy exposed to 640 °C and 700 °C for times varying between one and one hundred hours was investigated. Three surface states were considered: two generated through shot peening treatments (one conventional and one severe), while the third condition is a non peened condition. Shot peened specimens are characterised by a surface layer featured by higher residual stresses and higher microhardness. The morphology of the oxides appears different depending on the condition observed. Regarding the kinetics, the oxidation process in time follow a parabolic trend and appears to be influenced by the surface state; in particular, severe shot peening treatment is the one characterised by the greatest intensity of the phenomenon. However, the order of magnitude of the measured weight gains suggests that the observed variations can be neglected, and that the positive effect of shot peening can be exploited without creating oxidation problems. From the point of view of the microstructural evolution, an increase in gamma'' phase precipitation was observed in the shot peened layer. This work represents a new step in understanding the behaviour of this alloy and the events occurring in its operating life.

Inconel 718 è una superlega che viene utilizzata per molteplici applicazioni, come ad esempio dischi e palette di turbina, e camere di combustione grazie alle sue buone proprietà meccaniche ad alta temperatura e alla sua ottima resistenza all'ossidazione. Poichè nei sistemi in cui viene utilizzato, il materiale è sottoposto a sforzi variabili nel tempo, possono essere implementati trattamenti superficiali come lo shot peening, che attraverso l'introduzione di sforzi residui di compressione nello strato superficiale del materiale, può aumentarne la vita a fatica. Tuttavia, altre proprietà del materiale come rugosità e microstruttura nello strato pallinato sono modificate attraverso questi trattamenti; poichè l'ossidazione è strettamente legato alle condizioni superficiali del materiale, variazioni come quelle dovute allo shot peening possono avere un'influenza sullo sviluppo di questo fenomeno, il quale in certi casi può essere pericoloso per la resistenza del materiale stesso. In questo studio è stato studiato l'effetto dello stato superficiale nel comportamento della lega Inconel 718 esposta a 640°C e 700°C per tempi variabili tra una e cento ore. Gli stati superficiali presi in considerazione sono stati tre: due generati attraverso trattamenti di shot peening (uno convenzionale e uno severo), mentre la terza condizione è quella di taglio. I provini pallinati sono caratterizzati da uno strato superficiale con più alte tensioni residue e più elevata microdurezza. La morfologia degli ossidi appare differente a seconda della condizione osservata. Il processo di ossidazione nel tempo segue un andamento parabolico e appare influenzato dallo stato superficiale; in particolare il trattamento di shot peening severo è quello caratterizzato dalla maggiore intensità del fenomeno. Tuttavia, l'ordine di grandezza degli aumenti di peso misurati suggerisce che le variazioni osservate possano essere trascurate, e che lo shot peening possa essere sfruttato senza grossi problemi relativi all'ossidazione. Dal punto di vista dell'evoluzione microstrutturale, è stato osservato un aumento nella precipitazione di fase gamma'' nello strato influenzato dalla pallinatura. Questo lavoro rappresenta un nuovo passo nella comprensione del comportamento sul campo di questa lega.