VDM Alloy 780 and G27 are new γ'-hardening polycrystalline Ni-based superalloys that are promising material candidates for aerospace applications, especially in the hot sections of an aero engine where welding is extensively used to fabricate themassive hot structural components by joining small pieces of superalloys. VDM Alloy 780 was developed to surpass the service temperature capability of Alloy 718 (up to 750°C) while maintaining the excellent workability of Alloy 718, whereas G27 was designed to match, if not exceed, the mechanical properties of Waspaloy, especially in terms of crack growth resistance under dwell fatigue.

In a superalloy weldment, the weld fusion zone (FZ) microstructure that typically consists of γ dendrite and secondary phase constituents that form due to elemental microsegregation during rapid weld solidification is one of the critical factors that invariably control the properties of the welded superalloys. In the present work, the observed elemental microsegregation pattern observed in the weld FZ of VDM Alloy 780 and G27 during the solidification of the weld results in the formation of Nb-rich MC carbides and coarse irregular-shaped Laves phases as the major secondary phase constituents in the interdendritic region. 

After welding, post-weld solution heat treatment (PWSHT) is typically carried outon superalloy weldment to relieve residual stresses and modify the as-welded microstructure. Considering large-sized irregular Laves phases that are generally known to be potentially detrimental to the mechanical properties form in the aswelded FZ of VDM Alloy 780 and G27, suitable PWSHT needs to be developed to remove the Laves phases to achieve optimum microstructures and reliable properties of the welded superalloys. WSHT for an hour performed at 954°C only partially eliminates the Laves phases in both alloys with substantial η phase formation along the interdendritic regions. The excessive amount of η phase also needs careful consideration when developing suitable PWSHT since it may further potentially deteriorate the mechanical properties of the weldment. The Laves phases are completely dissolved without forming η phase after implementing PWSHT at 1060°C for 1h. Thus, with regard to the secondary phase constituents in the FZ,PWSHT at 1060°C/1h is suitable for VDM Alloy 780 and G27 since it completely removes Laves phases with no η phase formation.

Apart from removing Laves phase, it is also essential to understand the effect of PWSHT at 1060°C/1h on the new superalloys' base metal (BM) grain sizes. For the widely used Alloy 718, PWSHT at 1060°C/1h is considered unfeasible since itresults in an excessive grain coarsening in the BM, reducing its tensile and fatigue performance. Based on the results in the present study, PWSHT at 1060°C/1h increased BM grain sizes from 50 to 63 µm in VDM Alloy 780 and 25 to 57 µm in G27. However, the extent of grain growth in VDM Alloy 780 and G27 is proven to be less severe than that in the widely used Alloy 718, showing that the grain growth kinetics in new superalloys are slower than in Alloy 718 at 1060°C, which is believed to be due to pinning effect of Mo-rich Laves phase in G27, and likely to be due to solute segregation at grain boundaries in VDM Alloy 780. The slower kinetics of grain growth at 1060°C in VDM Alloy 780 and G27 relative to Alloy 718 is beneficial in preserving a finer grain structure in the BMs of VDM Alloy 780 and G27 relative to Alloy 718 during PWSHT that aims to remove the Laves phases in the weld FZ

VDM Alloy 780 och G27 är nya γ'-härdande polykristallina Ni-baserade superlegeringar som är lovande materialkandidater för rymdtillämpningar, särskilt i de varma sektionerna av en flygmotor där svetsning används flitigt för att tillverka de massiva heta strukturella komponenterna genom att sammanfoga små bitar av superlegeringar. VDM Alloy 780 utvecklades för att överträffa driftstemperaturkapaciteten hos Alloy 718 (upp till 750°C) samtidigt som den utmärkta bearbetbarheten hos Alloy 718 bibehölls, medan G27 utformades för att matcha, om inte överträffa, de mekaniska egenskaperna hos Waspaloy, särskilt när det gäller spricktillväxtmotstånd under uppehållströtthet.

I en superlegeringssvetsning är mikrostrukturen i svetsfusionszonen (FZ) som vanligtvis består av γ dendrit och sekundärfasbeståndsdelar som bildas på grund av elementär mikrosegregation under snabb svetsstelning en av de kritiska faktorerna som alltid styr egenskaperna hos de svetsade superlegeringarna. I det aktuella arbetet resulterar det observerade elementära mikrosegregationsmönstret som observerats i svetsen FZ av VDM Alloy 780 och G27 under stelningen av svetsen i bildandet av Nb-rika MC-karbider och grova oregelbundet formade Laves-faser som de viktigaste sekundära fasbeståndsdelarna i den interdendritiska regionen.

Efter svetsning utförs vanligtvis värmebehandling efter svetsning (PWSHT) på superlegeringssvetsning för att lindra kvarvarande spänningar och modifiera den svetsade mikrostrukturen. Med tanke på stora oregelbundna Laves-faser som är allmänt kända för att vara potentiellt skadliga för de mekaniska egenskaperna i den svetsade FZ av VDM Alloy 780 och G27, måste lämplig PWSHT utvecklas för att ta bort Laves-faserna för att uppnå optimala mikrostrukturer och tillförlitlig egenskaper hos de svetsade superlegeringarna. WSHT under en timme utförd vid 954°C eliminerar endast delvis Laves-faserna i båda legeringarna med betydande η-fasbildning längs de interdendritiska regionerna. Den överdrivna mängden η-fas behöver också noggrant övervägasnär man utvecklar lämplig PWSHT eftersom det ytterligare potentiellt kan försämra de mekaniska egenskaperna hos svetsen.

Laves-faserna är helt upplösta utan att bilda η-fas efter implementering av PWSHT vid 1060°C under 1 timme. Sålunda, med avseende på sekundärfasbeståndsdelarna i FZ, är PWSHT vid 1060°C/1h lämplig för VDM Alloy 780 och G27 eftersom den helt tar bort Lavesfaser utan η-fasbildning. Förutom att ta bort Laves-fasen är det också viktigt att förstå effekten av PWSHT vid 1060°C/1h på de nya superlegeringarnas basmetall (BM) kornstorlekar. För den allmänt använda Alloy 718 anses PWSHT vid 1060°C/1h omöjligt eftersom det resulterar i en överdriven kornförgrovning i BM, vilket minskar dess drag- och utmattningsprestanda. Baserat på resultaten i denna studie ökade PWSHT vid 1060°C/1h BM-kornstorlekarna från 50 till 63 µm i VDM Alloy 780 och 25 till 57 µm i G27. Omfattningen av korntillväxten i VDM Alloy 780 och G27 har dock visat sig vara mindre allvarlig än den i den allmänt använda Alloy 718, vilket visar att korntillväxtkinetiken i nya superlegeringar är långsammare än i Alloy 718 vid 1060°C, vilket är tros bero på pinningseffekt av Mo-rich Laves-fas i G27, och sannolikt bero på segregering av lösta ämnen vid korngränserna i VDM Alloy 780. Den långsammare kinetiken för korntillväxt vid 1060°C i VDM Alloy 780 och G27 i förhållande till Legering 718 är fördelaktig för att bevara en finare kornstruktur i BMs av VDM Alloy 780 och G27 jämfört med Alloy 718 under PWSHT som syftar till att ta bort Laves-faserna i svetsen FZ.

Nickel-based superalloys are indispensable for hot structural components in aeroengines due to their exceptional high-temperature strength and oxidation resistance. Alloy 718 has been the industry standard for decades; however, its application is limited to temperatures below approximately 650°C. The continued drive toward higher engine operating temperatures to improve fuel efficiency and reduce emissions has motivated the development of next-generation superalloys with greater temperature capability. VDM Alloy 780 and G27 are recently introduced wrought Ni-based superalloys designed for service temperatures approaching 750°C and are promising candidates for aeroengine components fabricated by fusion welding. The successful implementation of these new superalloys in fabrication depends critically on weldment integrity, which is influenced by factors such as the fusion zone (FZ) microstructure, base material (BM) grain size, and susceptibility to weld hot cracking.

In the first part of the thesis, microstructural characterization reveals that weld solidification in both superalloys results in Nb-rich MC carbides and irregularly shaped Laves phase as the major interdendritic constituents in the as-welded FZ microstructure, mainly due to Nb microsegregation. Because the Laves phase is inherently brittle and generally detrimental to the mechanical performance of superalloys, its removal through post-weld solution heat treatment (PWSHT) is essential. A PWSHT at 1060°C for 1h is identified as optimal, achieving complete dissolution of Laves phases without promoting η-phase formation.

Importantly, this heat treatment results in only relatively moderate BM grain growth in both alloys, with slower grain coarsening kinetics relative to Alloy 718. This retarded grain growth behavior is beneficial for preserving a relatively fine-grained BM microstructure while enabling complete removal of the detrimental Laves phases inthe FZ through PWSHT.

In the second part of the thesis, hot cracking susceptibility was systematically investigated using Varestraint and Gleeble hot-ductility tests. Solidification cracking in both alloys is found to be largely insensitive to pre-weld solution heat treatments (SHTs). In contrast, heat-affected zone (HAZ) liquation cracking is strongly influenced by pre-weld SHTs, through altering the grain size and the magnitude of boron segregation at grain boundaries. When optimized, both alloys exhibit hot-cracking susceptibility comparable to, and in some cases superior to, that of Alloy 718. Overall, the results demonstrate that VDM Alloy 780 and G27 possess viable weldability for aeroengine fabrication, provided that pre-weld SHTs are carefully tailored to control microstructure, particularly grain size and grain boundary boron segregation, to minimize HAZ liquation cracking susceptibility.

Nickelbaserade superlegeringar är oumbärliga för lastbärande strukturella komponenter i flygmotorer tack vare deras exceptionella hållfasthet vid högatemperaturer och goda oxidationsbeständighet. Alloy 718 har varit industristandard i flera decennier; dess användning är dock begränsad till temperaturer under cirka 650 °C. Den fortsatta strävan efter högre drifttemperaturer i motorer för förbättrad bränsleeffektivitet och minskade utsläpp har motiverat utvecklingen av nästa generations superlegeringar med utökad temperaturkapacitet. VDM Alloy 780 och G27 är nyligen introducerade smidda nickelbaserade superlegeringar, konstruerade för drifttemperaturer upp mot cirka 750 °C, och utgör lovande kandidater för flygmotorkomponenter som tillverkas genom smältsvetsning. En framgångsrik implementering av dessa legeringar i tillverkning är i hög grad beroende av svetsens integritet, vilken styrs av faktorer såsom mikrostrukturen i smältzonen (FZ), grundmaterialets (BM) kornstorlek samt benägenhet för varm sprickbildningvid svetsning.

Mikrostrukturell karakterisering visar att stelnandet i svetsen i båda legeringarna leder till bildning av Nb-rika MC-karbider och oregelbundet formad Laves-fas som de dominerande interdendritiska strukturbeståndsdelarna i den ovärmebehandlade FZ-mikrostrukturen. Eftersom Laves-fasen är inneboende spröd och generellt skadlig för den mekaniska prestandan hos svetsade superlegeringar är dess avlägsnande genom efterföljande upplösningsvärmebehandling efter svetsning (PWSHT) nödvändig. En PWSHT vid 1060 °C under 1 timme identifierades som optimal och resulterade i fullständig upplösning av Laves-fasen utan att främja bildning av η-fas. Viktigt är att denna värmebehandling endast gav upphov till relativt måttlig korntillväxt i grundmaterialet, med långsammare korntillväxt jämfört med Alloy 718. Detta beteende för korntillväxt är fördelaktigt för att bevara en relativt finkornig mikrostruktur i grundmaterialet samtidigt som fullständig eliminering av den skadliga Laves-fasen i smältzonen möjliggörs.

Benägenheten för varmsprickbildning undersöktes systematiskt med hjälp av Varestraint- och Gleeble-tester för varmduktilitet. Stelningssprickbildning i smältzonen visade sig i stort sett vara okänslig för upplösningsvärmebehandling före svetsning (SHT). Däremot påverkades sprickbildning i den värmepåverkade zonen (HAZ) starkt av SHT:er före svetsning, genom förändringar i kornstorlek och omfattningen av borsegregation vid korngränser. När värmebehandlingarna optimerades uppvisade båda legeringarna en benägenhet för varmsprickbildning som var jämförbar med, och i vissa fall bättre än, Alloy 718. Sammantaget visar resultaten att VDM Alloy 780 och G27 uppvisar god svetsbarhet för tillverkning av flygmotorkomponenter, förutsatt att upplösningsvärmebehandlingar före svetsning anpassas noggrant för att styra mikrostrukturen, särskilt kornstorlek och borsegregation vid korngränser, i syfte att minimera benägenheten för att bilda uppsmältningssprickor i HAZ.