Broaching of udimet 720 Liassessment of surface integrity combining experimental and finite element modelling approaches

Resumen

El Inconel 718 es la aleación base níquel más utilizada en la fabricación de discos de turbina de baja presión en la industria aeroespacial. Sin embargo, la necesidad de reducir las emisiones ha alentado a los fabricantes a mejorar la eficiencia de los motores, que está limitada principalmente por la capacidad del material de la turbina. En este escenario, el Udimet 720 Li es una aleación muy prometedora para sustituir al Inconel 718 debido a sus mejores propiedades termomecánicas. No obstante, el cambio de material puede requerir el ajuste de las condiciones de fabricación del disco para garantizar la calidad del componente. El brochado es uno de los procesos de mecanizado más críticos debido a su gran influencia en la integridad superficial y, en consecuencia, en la vida a fatiga. Sin embargo, el conocimiento de este proceso de mecanizado es limitado. Por ello, es necesario realizar ensayos experimentales, basados en la estrategia de prueba-error, para seleccionar las condiciones óptimas de brochado, lo que es muy costoso. Asimismo, proporciona información limitada sobre la física implicada en la generación de la integridad superficial. Por lo tanto, los modelos predictivos están surgiendo como uno de los enfoques más prometedores para abordar estas cuestiones. Por tanto, el objetivo principal de este doctorado es evaluar la influencia de las condiciones de corte y la geometría de la herramienta en la integridad superficial al brochar Udimet 720 Li combinando enfoques experimentales y de elementos finitos. Se desarrolló un modelo de elementos finitos de corte ortogonal para predecir variables fundamentales (fuerzas y morfología de la viruta) y de integridad superficial (tensiones residuales y daños microstructural). Se caracterizaron los parámetros de entrada necesarios que describen el comportamiento del material y la fricción entre la herramienta y la viruta. La caracterización completa del Udimet 720 Li incluye las propiedades microestructurales, termomecánicas, de fallo dúctil y térmicas. Se ha desarrollado una nueva ley de fluencia que reproduce los fenómenos de recristalización dinámica y el acoplamiento entre la velocidad de deformación y la temperatura con un error inferior al 6%. Además, se ha propuesto un nuevo modelo de fallo dúctil que considera la influencia no monótona de la temperatura y la triaxialidad de tensiones, así como el acoplamiento entre la velocidad de deformación y la temperatura. Para ello, se ha combinado la Correlación Digital de Imágenes con la simulación numérica. La fricción entre el Udimet 720 Li y el material de la herramienta T15 (acero rápido) en condiciones cercanas al brochado se ha caracterizado mediante un método experimental nuevo desarrollado. Los resultados siguen el modelo de Zorev con coeficientes de fricción superiores a 1. También, se han realizado ensayos de brochado experimentales variando las condiciones de corte y la geometría de la herramienta para analizar su influencia en variables fundamentales (fuerzas y viruta) e integridad superficial (microtopografía, tensiones residuales y daño microstructural). La caracterización de la micro-topografía incluye indicadores de rugosidad 2D y 3D, así como la observación de la ondulación de la superficie producida por la excitación local generada por la entrada y salida de los dientes. Las tensiones residuales se analizaron combinando la técnica de difracción por rayos X con la perforación de agujeros para obtener un mapa completo del estado de tensiones de la superficie mecanizada. Por último, en el análisis del daño microstructural, los principales defectos fueron el strain hardening y surface drag. El análisis cuantitativo realizado mediante el EBSD combinad con el KAM, la desorientación local y GOS reveló cerca del doble de deformación con estas técnicas que con el microscopio óptico. Los resultados de Full Width at Half Maximum han mostrado que la deformación en la superficie es dos veces mayor que en el material base.