Surface integrity and isothermal low cycle fatigue of turned inconel 718 workpieces

Resumen

El continuo desarrollo de los motores aeronáuticos ha sido uno de los factores principales en la evolución del transporte aéreo, permitiendo aumentar la capacidad de pasajeros y la autonomía de los vuelos. Los motores aeronáuticos cada vez deben enfrentarse a temperaturas de trabajo más elevadas, y para ello se han desarrollado nuevas aleaciones resistentes con excelentes propiedades mecánicas y químicas a temperaturas elevadas. Sin embargo, estas aleaciones de alta resistencia a temperaturas elevadas son más difíciles de procesar y por ello se realizan controles exigentes en el proceso de fabricación de componentes críticos de motores aeronáuticos con el fin de asegurar un correcto y seguro funcionamiento a lo largo de la vida del componente. Muchos investigadores han estudiado la integridad superficial generada en las aleaciones resistentes a alta temperatura lo cual ha permitido comprender la influencia de las condiciones de mecanizado en la integridad superficial de estas aleaciones. Sin embargo, a pesar de que se presupone que las alteraciones superficiales pueden ser perjudiciales para la vida a fatiga, existen muy pocas investigaciones en este campo y la relación entre la integridad superficial y el comportamiento a fatiga no está bien establecida. El objetivo de esta tesis es entender la influencia de las condiciones de mecanizado (proceso de torneado) en la integridad superficial y vida a fatiga de la aleación de base níquel Inconel 718. Este estudio se encuentra enmarcado dentro del marco de investigación colaborativo entre Mondragon Goi Eskola Politeknikoa (MGEP) y la empresa fabricante de motores aeronáuticos ITP SA. (Industria de Turbo Propulsores). Para este estudio se ha seleccionado la aleación de base níquel Inconel 718 al ser uno de los materiales más empleados en la fabricación de componentes de motores aeronáuticos. En primer lugar se analizado la influencia de los parámetros de torneado en la integridad superficial del Inconel 718. Se describe la metodología experimental empleadas para estudiar la integridad superficial generada al mecanizar Inconel 718 con herramientas con radio de punta elevadas. A continuación se analizan las fuerzas de corte, rugosidad superficial, tensiones residuales y alteraciones microstructurales observadas en la piezas torneadas. Se identifican las correlaciones entre las condiciones de mecanizado y parámetros de la integridad superficial. Las tensiones residuales generadas en el proceso de mecanizado son uno de los parámetros más importantes de la integridad superficial y pueden afectar al comportamiento a fatiga. Con el fin de cuantificar la influencia de las tensiones residuales en la vida a fatiga se han estudiado tanto experimentalmente como numéricamente (modelos Surface-Core y Zener-Wert-Avrami) las variaciones de tensiones residuales ante cargas mecánicas y térmicas. Los resultados se discuten en detalle, poniendo especial atención en el efecto de la magnitud de las tensiones residuales y el grado de endurecimiento generado en la capa superficial durante el mecanizado. A continuación se exponen los resultados de los ensayos experimentales realizados para estudiar el comportamiento a fatiga isotérmica de bajos ciclos (Low Cycle Fatigue, LCF)de componentes torneados. Más concretamente, se analizar el efecto del radio de punta en la integridad superficial y vida a fatiga LCF. Finalmente y retomando el objetivo global de la tesis, se estudia la relación entre los parámetros de integridad superficial y vida a fatiga. Se concluye con una serie de recomendaciones para la selección de condiciones de corte con el objetivo de mejorar la integridad superficial y comportamiento a fatiga de componentes mecanizados.