A THERMODYNAMIC MODEL APPLICABLE TO LIQUID – GAMMA – GAMMA PRIME PHASE EQUILIBRIUM IN SUPERALLOYS

Abstract

A thermodynamic model has been developed to address the gamma, gamma prime and liquid phase equilibrium for dilute single crystal gas turbine alloys such as CMSX-10. The model is based on a review of the Ni-X (X = Al, Co, Cr, Re, Ta, W) binary systems where the observed binary phase diagrams are well reproduced with self-consistent thermodynamic models that incorporate, when available, measured thermodynamic properties. These models are then interpolated using the Kohler scheme to address the gamma–gamma prime equilibrium observed in the related Al-Ni-X ternary systems. The gamma and liquid phases are modelled using a substitutional solution formalism; the gamma prime phase is modelled as the stoichiometric compound Ni3Al into which are dissolved compounds of the Ni3X type. The role of coherency in superalloy microstructure and the importance of a sound knowledge of constituent binary systems are discussed. The calculated phase equilibrium compositions and phase transformation temperatures are compared to the literature data for CMSX-10.Un modèle thermodynamique a été développé pour représenter l’équilibre des phases gamma, gamma prime, et liquide, dans les alliages monocristallins dilué de turbines à gaz. Ce modèle est basé sur une revue critique des systèmes binaires Ni-X, (X = Al, Co, Cr, Re, Ta, W) où les diagrammes d’équilibre sont bien reproduits par les modèles thermodynamiques incorporant des mesures expérimentales de propriétés thermodynamiques. Ces systèmes sont interpolés au moyen du schéma Kohler pour examiner l’équilibre observé dans les systèmes ternaires Al-Ni-X. Les phases gamma et liquide sont représentées par un formalisme basé sur une solution substitutionelle, la phase gamma prime étant modélisée à partir d’un composé stoechiométrique Ni3Al dans lequel les composés de type Ni3X sont dissous. Le rôle de la cohérence dans la microstructure des superalliages, et l’importance de la connaissance propre des systèmes binaires, sont discutées. Les compositions d’équilibre et les températures de transformation des phases calculées sont en accord avec les données de la littérature pour l’alliage commercial CMSX-10.