repair process for turbine casting

10
Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013 www.mejournal.org 61 Repair Process for Turbine Casting SGK.Manikandan 1* , D.Sivakumar 2 , K.Prasad Rao 3 , M.Kamaraj 4 1,2 Indian Space Research Organization, Trivandrum 3,4 Indian Institute of Technology Madras, Chennai *[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected] Abstract Alloy706 is used as exhaust casing material in gas turbines of cryogenic rocket engines in view of its excellent properties. The defective zones in superalloy castings usually are repair welded in solution treated condition to obtain good room temperature and high temperature properties. However a need cameup to carry out insitu repair welding in one of the gas turbine castings made of aged Alloy 706 in cryogenic rocket engine with a limitation that the component cannot be subjected to any heat treatment cycle subsequent to the repair welding. Hence it became necessary to develop process and process parameters with reduced strength mismatch and HAZ free from microfissures in order to obtain required mechanical properties and further high temperature service associated with high pressure hydrogen environment. This has been approached with process control using reduced heat input and alloying control.In order to reduce the heat input, two processes such as GTA welding and GTA braze welding have been adopted with multi pass technique. Keywords GTA welding, GTA Braze welding, Heat input, Alloy 706 casting Introduction The nickeliron based superalloy, Alloy706 (706Eq) is used as exhaust casing material in gas turbines of cryogenic rocket engines because of its good mechanical properties up to intermediate temperatures (~700°C) and excellent manufacturability. This precipitationstrengthened alloy contains FCC austenitic matrix (γ‐phase) which is a NiFeCr solid solution. The predominant strengthening precipitate is the coherent, ordered A3B type γ’ phase (Ni3AlL12 crystal structure) and γphase (Ni3NbDO22 structure). The volume fraction of γ’ phase is more than that of γ” phase due to higher Ti content. A stable δ phase (Ni3NbDOa structure) and ordered A3B type η phase (Ni3Tiordered hcp structureDO24 structure) can also be formed in 706Eq depending on processing conditions. Detailed microstructural analysis of Alloy 706 has been reported by Moll et. al., and the heat treatment behaviour has been discussed by Heck et. al.,. Superalloy castings are usually repair welded in solution treated condition to obtain good room temperature and high temperature properties. However, in this case there existed in a need to carry out insitu repair welding in one of the gas turbine castings of aged 706Eq in cryogenic rocket engine with a limitation that the component cannot be subjected to any heat treatment cycle subsequent to the repair welding. Since the casting consists of rotating elements and soft seals nearby with close tolerances, no insitu heat treatment operations can be done. In the repaired zone of casting, there will be a mismatch in hardness value between adjacent base material and fusion zone (FZ) with HAZ. Moreover, the cast material is more prone to microfissuring due to segregation. The solvus temperature of Laves phase in 706Eq is 1020°C. Optimized mechanical properties were obtained with a maximum solution treatment temperature of 1000°C. And hence Laves phase are not fully dissolved. The presence of MC type carbides and Laves phase in the interdenritic region of the casting leads to the formation of intergranular eutectic type liquid during welding due to rapid heating. This is a favorable condition for HAZ microfissuring. Hence there is a need to develop process and process parameters with reduced strength mismatch and HAZ free from microfissures in order to obtain the required mechanical properties and further high temperature service associated with high pressure hydrogen environment. C.L.Ou et. al., has described the advantages of repair brazing for age hardenable stainless steel to fix shallow cracks. Since the defective zone present in the rocket engine consists of various materials with range of melting temperature which cannot be furnace brazed. J.H.G.Mattheij et. al., described the repair process for various types of defects and/or damages in the gas turbines in which brazing and allied processes are considered to be standard repair/regeneration technique. Hence an alternate method of braze welding process is selected.

Upload: shirley-wang

Post on 22-Mar-2016

217 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

http://www.me-journal.org Alloy706 is used as exhaust casing material in gas turbines of cryogenic rocket engines in view of its excellent properties. The defective zones in super-alloy castings usually are repair welded in solution treated condition to obtain good room temperature and high temperature properties.

TRANSCRIPT

Page 1: Repair Process for Turbine Casting

Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013                                                                        www.me‐journal.org 

    61

Repair Process for Turbine Casting SGK.Manikandan1*, D.Sivakumar2, K.Prasad Rao3, M.Kamaraj4 1,2Indian Space Research Organization, Trivandrum 3,4Indian Institute of Technology Madras, Chennai

*[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]

Abstract 

Alloy706 is used as exhaust casing material in gas turbines of 

cryogenic  rocket engines  in view of  its excellent properties. 

The defective zones in super‐alloy castings usually are repair 

welded  in  solution  treated  condition  to  obtain  good  room 

temperature  and  high  temperature  properties. However  a 

need  came‐up  to  carry out  in‐situ  repair welding  in one of 

the gas turbine castings made of aged Alloy 706 in cryogenic 

rocket engine with a limitation that the component cannot be 

subjected  to  any  heat  treatment  cycle  subsequent  to  the 

repair  welding.  Hence  it  became  necessary  to  develop 

process  and  process  parameters  with  reduced  strength 

mismatch  and  HAZ  free  from  micro‐fissures  in  order  to 

obtain  required  mechanical  properties  and  further  high 

temperature service associated with high pressure hydrogen 

environment. This has been approached with process control 

using  reduced  heat  input  and  alloying  control.In  order  to 

reduce  the heat  input,  two processes  such as GTA welding 

and GTA braze welding have been adopted with multi pass 

technique. 

Keywords 

 GTA welding, GTA Braze welding, Heat input, Alloy 706 casting 

Introduction

The nickel‐iron based super‐alloy, Alloy706 (706Eq) is 

used  as  exhaust  casing  material  in  gas  turbines  of 

cryogenic  rocket  engines  because  of  its  good 

mechanical  properties  up  to  intermediate 

temperatures (~700°C) and excellent manufacturability. 

This  precipitation‐strengthened  alloy  contains  FCC 

austenitic matrix  (γ‐phase) which  is  a Ni‐Fe‐Cr  solid 

solution. The predominant strengthening precipitate is 

the  coherent,  ordered A3B  type  γ’  phase  (Ni3Al‐L12 

crystal  structure)  and  γ”  phase  (Ni3Nb‐DO22 

structure).  The  volume  fraction  of  γ’  phase  is more 

than that of γ” phase due to higher Ti content. A stable 

δ phase (Ni3Nb‐DOa structure) and ordered A3B type 

η phase (Ni3Ti‐ordered hcp structure‐DO24 structure) 

can also be formed in 706Eq depending on processing 

conditions. Detailed micro‐structural analysis of Alloy 

706  has  been  reported  by Moll  et.  al.,  and  the  heat 

treatment  behaviour  has  been  discussed  by Heck  et. 

al.,. Super‐alloy castings are usually  repair welded  in 

solution  treated  condition  to  obtain  good  room 

temperature  and  high  temperature  properties. 

However,  in this case  there existed  in a need  to carry 

out  in‐situ  repair welding  in  one  of  the  gas  turbine 

castings of aged 706Eq in cryogenic rocket engine with 

a limitation that the component cannot be subjected to 

any  heat  treatment  cycle  subsequent  to  the  repair 

welding. Since the casting consists of rotating elements 

and soft seals nearby with close  tolerances, no  in‐situ 

heat treatment operations can be done. In the repaired 

zone of casting,  there will be a mismatch  in hardness 

value between adjacent base material and fusion zone 

(FZ) with HAZ.  

Moreover,  the  cast material  is more  prone  to micro‐

fissuring due  to  segregation. The  solvus  temperature 

of  Laves  phase  in  706Eq  is  1020°C.  Optimized 

mechanical properties were obtained with a maximum 

solution  treatment  temperature of 1000°C. And hence 

Laves phase  are not  fully dissolved. The presence of 

MC type carbides and Laves phase in the inter‐denritic 

region  of  the  casting  leads  to  the  formation  of  inter‐

granular  eutectic  type  liquid  during welding  due  to 

rapid heating. This  is  a  favorable  condition  for HAZ 

micro‐fissuring.  Hence  there  is  a  need  to  develop 

process and process parameters with reduced strength 

mismatch and HAZ  free  from micro‐fissures  in order 

to  obtain  the  required  mechanical  properties  and 

further high temperature service associated with high 

pressure  hydrogen  environment.  C.L.Ou  et.  al.,  has 

described  the  advantages  of  repair  brazing  for  age 

hardenable  stainless  steel  to  fix  shallow  cracks. Since 

the defective zone present in the rocket engine consists 

of  various  materials  with  range  of  melting 

temperature  which  cannot  be  furnace  brazed. 

J.H.G.Mattheij et. al., described  the  repair process  for 

various  types  of  defects  and/or  damages  in  the  gas 

turbines  in  which  brazing  and  allied  processes  are 

considered  to  be  standard  repair/regeneration 

technique.  Hence  an  alternate  method  of  braze 

welding process is selected.  

Page 2: Repair Process for Turbine Casting

www.me‐journal.org                                                                        Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013

62    

Repair  welding  simulation  experiments  have  been 

conducted  in  two  modes  with  multi‐pass  Gas 

Tungsten Arc (GTA) welding and GTA Braze welding 

with  120  μm  thick  braze  foil  (by  employing  special 

attachments  to  avoid  oxidation  of  braze  foil)  using 

rapid heat  extraction by  external heat  sink. Slow but 

moderate  heating  rate  and  rapid  cooling  rate  have 

been  employed  to  avoid  micro‐fissuring.  Both 

weldment and braze weldment were qualified to 100% 

X‐ray  radiography.  Micrographs  of  GTA  weldment 

reveals  HAZ  micro‐fissuring  while  GTA  braze 

weldments  are  free  from  the  same.  Comparable 

mechanical  properties  for  both  the  cases  have  been 

achieved  at  room  temperature  and  at  high 

temperature  (477°C).  Ductility  of  braze weldment  is 

better  by  31%  than  that  of  weldment  at  room 

temperature. Strength mismatch has been observed to 

be  less  in braze weldment  than  that  in weldment. To 

understand  the  mechanism,  experiments  on  heat 

transfer  during  process  have  been  conducted  and  it 

was  found  that  the  instantaneous  cooling  rate  is 

relatively higher while  the  instantaneous heating  rate 

is  slow  in  GTA  braze  welding  than  that  in  GTA 

welding.  Slower  heating  rate  ensures  complete  dis‐

solution  of  precipitates  and  thereby minimizing  the 

incipient melting of precipitates  in HAZ, while  rapid 

cooling rate refines the micro‐structure  

Based  on  the  experimental  studies  on  process  and 

process  variables,  process  parameters  have  been 

developed  for  braze  welding.  The  same  have  been 

successfully employed for the in‐situ repair welding of 

aged  706Eq  gas  turbine  castings  in  cryogenic  rocket 

engine.  The  braze  weldment  has  been  successfully 

subjected  to high  temperature service associated with 

high  pressure  hydrogen  environment.  This  paper 

describes about  the  simulation  trials,  characterization 

of  fusion  zone, mechanical  property  evaluation  and 

implementation of process. 

Experimental Setup 

Repair  welding  simulation  experiments  have  been 

conducted  in  two  modes  with  multi‐pass  Gas 

Tungsten  Arc  (GTA‐W)  welding  and  GTA  Braze 

welding  (GTA‐BW)  in  a  4mm  thickness  cast  billet of 

Alloy706  in heat treated condition. Details of the heat 

treatment are as follows: 

Homogenisation  treatment  at  1125°C±25°C 

with 3+0.5Hrs holding time and then air cooled 

Solution  treatment  at  1000°C±10°C  with 

3+0.5Hrs holding time and then air cooled 

First  step  aging  treatment  at 750°C±10°C with 

8+0.5Hrs holding time and then air cooled 

Second  step  aging  treatment  at  650°C±10°C 

with 8+0.5Hrs holding time and then air cooled 

GTA‐BW  process was  employed with  120  μm  thick 

braze foil, by developing special attachments to avoid 

oxidation  of  braze  foil.  Rapid  heat  extraction  was 

achieved through external heat sink  in order to avoid 

heat  build‐up.  Heating  rate  is  rapid  in  welding 

processes  than  that  in casting processes. This  leads  to 

incipient melting  of MC  type  carbides  and promotes 

HAZ micro‐fissuring and/or liquation cracking. Hence 

slow  to  moderate  heating  rate  and  relatively  rapid 

cooling  rate  have  been  employed  to  avoid  micro‐

fissuring.  The  complete  elimination  of  the  defective 

zone is not possible, since the rotating parts have very 

minimum  radial  clearances  and  there  exists  in  a 

possibility  of  contaminants  entering  the  turbine 

housing, which  leads  to  catastrophic  failure.  Thus  a 

back‐up of 0.83mm was retained in the 4mm thickness 

casting  shell  as  shown  in Figure‐(i). A  J  type  groove 

was prepared so that the accessibility in root of weld is 

better and bead width is also lower. This type of weld 

joint configuration reduces shrinkage stresses, thereby 

minimizing the susceptibility for HAZ micro‐fissuring.  

 

FIG. (i) DETAILS OF WELD JOINT AND GROOVE 

The repair welded samples were qualified with 100% 

X‐ray radiography and Dye penetrant test. Transverse 

section  samples  were  prepared  and  polished  with 

standard  procedure.  After  polishing,  samples  were 

electrolytically etched with 10% oxalic acid at 5‐7VDC 

for 2min. Material characterization techniques such as 

optical  metallography  (OM)  and  scanning  electron 

microscopy  (SEM)  were  used. Weldment  alone  was 

separated  from  the  fabricated  specimen  and  X‐ray 

diffraction  analysis  (XRD)  was  carried  out  in  both 

transverse  direction  and  longitudinal direction  using 

Page 3: Repair Process for Turbine Casting

Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013                                                                        www.me‐journal.org 

    63

Cu‐Kα  radiation.  In  order  to  distinguish  the  texture 

effect  during  solidification,  XRD  was  carried  out  in 

both  longitudinal  and  transverse  directions.  To 

understand  the  mechanism  and  heat  build‐up 

characteristics,  heat  transfer  experiments  have  been 

conducted  during  joining  process.  Scheme  for 

temperature  measurement  is  shown  in  Figure‐(ii)a. 

Twelve  numbers  of  thermocouples  were  capacitor 

discharge welded on  the  top surface of  the cast plate. 

The first 5 nos of thermocouples were positioned at a 

distance  of  2mm  from  the  bead  edge  and  the 

subsequent  4nos  and  3  nos  of  thermocouples  were 

placed  5mm  and  10mm  away  from  the  first  row  of 

thermocouples  respectively.  These  temperature 

measurements  (T1  –  T12)  were  used  for  studies  by 

cooling  rate  and  temperature  gradient.  K  type 

thermocouples  were  fixed  by  capacitor  discharge 

welded on  the surface. To avoid  the  temperature  rise 

due  to  radiative  heat  transfer  from  the welding  arc, 

thermocouples (TA1 to TA 12) were insulted with high 

temperature,  thermally  insulative  ceramic  cement. 

Thermal data were recorded with 1 sec sampling rate 

using data logger.

Tensile  test  samples  were  prepared  according  to 

ASTM E8M  for  room  temperature and ASTM E21‐09 

for  high  temperature  (477°C).  Details  of  tensile  test 

samples  are  shown  in  Figure‐(ii)  b  and  c.  Tensile 

testing was carried out  in  the as welded condition as 

per  ASTM.  Fractographic  analysis  of  the  tested 

samples has been carried out. 

 

FIG. (ii)A SCHEME FOR TEMPERATURE MEASUREMENT 

 

FIG. (ii) B TENSILE TEST SAMPLE FOR 23°C 

 

FIG. (ii) C TENSILE TEST SAMPLE FOR 477°C 

Details of the chemical composition for base material, 

filler metal and braze foil are as given in Table‐I. 

TABLE I DETAILS OF CHEMICAL COMPOSITION 

Description Alloy706  Braze foil  Filler metal 

C  0.04  ‐‐‐  0.06 

Cr  14.2  19  16 

Ni  42.23  ‐‐‐  62 

Ti  1.73  ‐‐‐  ‐‐‐ 

Mo  1.77  ‐‐‐  16 

Al  0.45  ‐‐‐  ‐‐‐ 

Nb  2.66  ‐‐‐  ‐‐‐ 

V  0.31  ‐‐‐  ‐‐‐ 

Co  ‐‐‐  8.5  ‐‐‐ 

Mn  <0.5  35  2 

B  ‐‐‐  0.1  ‐‐‐ 

Si  <0.5  0.8  0.5 

Fe  Balance  1.5  5 

Braze  foil  contains  higher  manganese  content. 

J.R.Davis  stated  that Mn  is  beneficial  in minimising 

micro‐fissuring. Additions of upto 9wt% Mn is used in 

commercial  welding  electrodes.  As  stated  in  AWS 

Brazing manual, Mn  improves wetting  and  bonding. 

Since wettability  is  improved by  addition of Mn,  the 

crack healing will be  effective. And at  the  same  time 

the  bonding  is  ensured.  It  also  aids  for  subsequent 

heat  treatment.  Addition  of  Co  promotes  volume 

fraction  of  ’  and  increases  antiphase  boundary 

energy  of  / ’.  Addition  of  Mo  decreases  lattice 

mismatch  of  / ’.  Since  the  objective  of  this  study 

includes minimising HAZ micro‐fissuring  and  filling 

of  the  crack,  braze  foil  is  selected  with  higher  Mn 

content. Similarly the welding filler metal has lower Fe 

and  Cr  content, which  reduces  susceptibility  for  the 

Page 4: Repair Process for Turbine Casting

www.me‐journal.org                                                                        Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013

64    

formation  of  Laves  phase,  and  higher  Mo  content 

provides  better  solid  solution  effect.  Since  post weld 

aging  is not possible, more solute elements are added 

through filler metal.  

Results and Discussion 

Microstructure Analysis 

The particular casting underwent the qualification test 

in which  the  service  temperatures were  shooting  up 

(1000°C)  beyond  the  aging  temperature  (750°C)  for  a 

short  time  of  the  order  of  less  than  100ms. A  phase 

change occurs  in Alloy 706 at the service temperature 

of  1000°C  with  the  time  hold  of  8  hrs.  Since  the 

exposure  time  at  such  high  temperature  (1000°C) 

during the qualification testing is very much negligible, 

it  is  assumed  that  the  casting  experienced  only  a 

thermal  shock.  In  order  to  further  decide  upon  the 

repair process and assessment on phase change, if any, 

the  thickness  and  hardness  survey  on  the  defective 

zone and adjacent zones were carried out. The details 

are given in Table‐II and Figure‐(iii). 

TABLE II HARDNESS AND THICKNESS SURVEY 

Location  

Measured thickness (mm)  

As cast condition  After emery 

polish  

Spot I   3.91/4.04   3.68/3.89  

Spot II   3.24/3.60   3.19/3.43  

Spot III   3.26/3.50   ‐‐NR‐‐  

Spot IV   3.19/3.38   ‐‐NR‐‐  

NR‐Not required, since these locations were non‐defective 

zones and hence emery polshing was not done 

 

FIG . (iii) SCHEMATIC FOR HARDNESS AND THICKNESS 

SURVEY 

The  defective  zone  was  analysed  with  in‐situ 

metallography  to  work  out  the  repair  plan  and 

branched cracks were found in the casting as shown in 

Figures –(iv)  (a) and  (b). The  thickness of  the  casting 

shell  is  4mm  and  the  surface  of  the  casting  was 

prepared for in‐situ metallographic analysis. Since the 

defect  was  found  in  the  assembled  condition  with 

closer to rotating parts, the severity of the defect in the 

thickness direction could not be revealed by any of the 

NDT methods. Any NDT method can only give results 

with  overlapped  signals/image  from  the  rotating 

assembly below the casting inner‐wall.  

   

FIG. iv (a) And (b) OPTICAL MICROGRAPH OF THE CRACK 

MORPHOLOGY IN THE DEFECTIVE ZONE OF CASTING  (ALLOY 

706) 

The  base  material  microstructure  reveals  (Figures‐v 

and  vi)  dendritic  structure,  which  indicates  the 

limitation  in  the  homogenization  temperature  as 

already  mentioned.  Also  the  micrographs  show  the 

Laves  phase  and MC  type  carbides. The  presence  of 

these  particles  has  been  confirmed  with  X‐ray 

diffraction analysis of base material.  

 

FIG. v MICROGRAPH OF AGE 

HARDENED BASE MATERIAL 

SHOWS ONLY MC TYPE 

CARBIDES 

FIG. vi MICROGRAPH OF 

AGE HARDENED BASE 

MATERIAL SHOWS ONLY 

LAVES PHASE 

In  the  case  of  braze  welding,  braze metal  flows  by 

capillary action through the existing crack and fills the 

cavity, whereas in the case of welding route, crack can 

be  completely  eliminated  with  the  full  penetration. 

The full penetration in the joint is not allowed, in view 

of  the  restriction  of  lower  clearances  in  the  inner 

rotating  assemblies.  Hence  partial  penetration  was 

employed.  Optical  micrographs  of  the  repair 

simulations  with  braze  welding  and  welding  are 

shown in Figures‐ vii and viii respectively. 

(a) (b) 

MC Laves

Page 5: Repair Process for Turbine Casting

Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013                                                                        www.me‐journal.org 

    65

   FIG. vii OPTICAL MICROGRAPHS OF BRAZE WELD FUSION ZONE

   FIG. viii OPTICAL MICROGRAPHS OF WELD FUSION ZONE 

   

FIG. ix SEM IMAGES OF WELD HAZ 

   FIG. x: SEM IMAGES OF BRAZE WELD HAZ FREE FROM 

LIQUATION 

 FIG. xi: SEM IMAGE OF WELD 

FUSION ZONE 

FIG. xii: SEM IMAGE OF BRAZE 

WELD FUSION ZONE 

 

FIG. xiii SEM IMAGE OF WELD 

FUSION ZONE SHOWING 

CRACKS 

FIG. xiv SEM IMAGES OF BRAZE 

WELD FUSION ZONE FREE 

FROM CRACKS 

 Grain boundary liquation observed in welds is shown 

in Figures‐viii and ix. Upon solidification, this leads to 

HAZ  micro‐fissuring.  N.L.Richards  et.  al,  and 

O.A.Idowu  et.  al,  stated  that  the  reason  for  this 

liquation phenomenon is the thermal stresses induced 

in HAZ  by  heat  input  and  thermal  gradient  further 

enhances  incipient  melting  of  MC  type  carbides  at 

grain boundary during welding process. S.Kou et. al, 

inferred  that  HAZ  micro‐fissuring  does  not  occur, 

when sufficient grain boundary liquid is not available 

or in the presence of excessive grain boundary liquid. 

Feng et al. developed the correlation for weld cracking 

with  the  stress–strain  evolution during weld  cooling. 

They  considered  only  transverse  and  longitudinal 

stresses  as  a  function  of weld  cooling. Cracking  at  a 

position  will  be  promoted  if  a  weak microstructure 

and/or a sufficiently high tensile stress exists. Dye et al. 

proposed a numerical method for the prediction of the 

processing  conditions  to  produce  defects  during 

welding such as constitutional liquation, solidification 

cracking and a centreline grain formation. Mayor et al., 

investigated the characteristics of Inconel 718 and 706 

joints, welded  by GTAW  (gas  tungsten‐arc welding), 

finding  an  excellent  weldability  and  good  tensile 

strength at both  room and elevated  temperature. The 

thermal  effects  of  welding  operations  have  been 

observed  to affect  the desirable  structure of  the heat‐

treatable alloys by producing heat‐affected zones with 

poor mechanical  properties.  Li  et  al.,  stated  that  the 

microfissuring sensitivity is influenced not only by the 

chemical  composition  of  the  alloy  but  also  by  the 

thermal stresses arising during cooling. Increased heat 

input  prevents  HAZ  micro‐fissuring  by  reducing 

thermal stresses at HAZ. The thermal stresses decrease 

with reduction of welding speed and  thickness of  the 

material.   The strain rate  in  the HAZ  is related  to  the 

welding speed. The  thermal stresses are developed at 

fusion  zone  and  HAZ  by  the  difference  in  the 

temperature  distribution  during  metal  joining 

processes.  When  increasing  the  heat  input,  the 

temperature gradient becomes shallow and hence  the 

difference  in  temperature between  fusion zone at  the 

start of solidification and HAZ is reduced. In this case, 

the  weld  cooling  rate  is  reduced,  which  promotes 

more  of  Laves  phase. Heat  input  rate  can  be  varied 

with  welding  speed  for  the  given  heat  input.  This 

reduces the heat input rate even for higher heat input. 

Hence  a  compromise  is  made  between  heat  input, 

thermal gradient and cooling rate by manipulating the 

welding speed. Therefore  liquation phenomenon  fails 

to be observed with braze welding process, (Figure‐x), 

Page 6: Repair Process for Turbine Casting

www.me‐journal.org                                                                        Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013

66    

because  the heating rate  is moderate and cooling rate 

is slightly higher though heat input falls on the lower 

range in both welding and braze welding modes. Thus 

the  incipient  melting  of  grain  boundary  carbides  is 

minimized  with  braze  welding  process.  Detailed 

discussion  on  the  effect  of  heating  rate  and  cooling 

rate  is  described  using  heat  transfer  studies  in 

subsequent section. Ferro et al., has studied  the effect 

of  high  energy  density  welding  process  (EBW)  on 

HAZ  micro‐fissuring  of  wrought  Inconel  706.  It  is 

found that HAZ micro‐fissures are formed due to the 

thermal  stresses  developed  during  cooling.   He  also 

compared  the  numerical model  of  other  researchers 

with EBW process where heating rate and cooling rate 

are higher than that with GTAW process. It is inferred 

that slower heating rate reduces  the  incipient melting 

of carbides and moderate cooling rate with extraction 

of heat using external heat  sink  reduces  the build‐up 

of  temperature.  And  hence  the  thermal  stresses  are 

balanced.  

TABLE III LAVES VOLUME FRACTION USING IMAGE ANALYSIS 

Process  Laves volume fraction ±2%# 

Braze welding  11.5 

Welding  27.1 

# Values are average of 30 nos of SEM micrographs 

SEM micrographs of welded sample  (Figure‐xi) show 

blocky,  thick  and  continuous  Laves  network.  Braze 

welded microstructure shows fine and globular Laves 

particles  (Figure‐xii),  which  is  the  indication  of 

increased  under‐cooling.  Further  probing  of  the 

microstructures of fusion zone (FZ) in certain samples 

of welding  route  shows  cracks  in  the  inter‐dendritic 

region (Figure‐xiii). The fusion zone of braze welding 

does  not  exhibit  any  crack  in  any  of  the  samples  as 

shown  in Figure‐xiv.  It  is clearly seen  that  the cracks 

propagate  through  the  inter‐dendritic  region  in  FZ. 

The  volume  fraction  of  inter‐denritic  region  laves 

phase  has  been  calculated  using  image  analysis. 

Details are given in table‐III. 

X‐ray Diffraction Analysis 

The X‐ray diffraction studies on braze welded sample 

have shown minor peaks of  laves phase compared  to 

that  in  welded  sample  (Figure‐xv).  Thereby  it  is 

confirmed  that  the  volume  fraction  of  laves phase  is 

less than that in braze welded sample. Since the braze 

foil contains Mn, manganese carbides are likely. Traces 

of Eta phases are observed.  

 

FIG. xv X‐RAY DIFFRACTION PATTERNS FOR BASE MATERIAL, 

WELDED SAMPLE AND BRAZE WELDED SAMPLE 

In  general,  braze  welded  sample  contains  high 

temperature  carbides  which  inhibit  grain  growth  at 

elevated  temperatures.    Welded  samples  show 

presence  of  laves  phase  and  also  the  peaks  are 

prominent.  Details  of  phases  with  crystallographic 

orientations are listed in Table‐IV. 

TABLE IV INDEXING OF XRD PATTERNS 

Description  Observed 

diffraction details 

Indexed diffraction details Legend in 

Figure‐xv 

d‐spacing 

(A0) 

I/I0  Crys.

Struc. 

Crys.

planes 

Lattice para.

(A0) 

Base Material 

2.072  100  Ni3Al 

FCC 

(111) (200) 

(220) 

aγ=3.597 

aγ’=3.571 

 

1.801  63.35 

1.2718  24.72 

3.101  13.34  Ortho 

Ni3Nb 

(011)  a=5.116 

b=4.26 

c=4.565 

 

1.147  1.21 

2.53  0.68  FCC 

NbC 

(111) (220) 

(311) (222)

a=4.471   

1.648  4.56 

1.395  1.63 

Page 7: Repair Process for Turbine Casting

Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013                                                                        www.me‐journal.org 

    67

1.272  24.72 

2.072  100  FCC 

TiN 

(200) (111) 

(220) (311)

a=4.238 

 2.53  0.68 

5.111  3.36 

1.272  24.72 Braze W

elding 

2.052  100  �

FCC (111) (200) 

(220) 

aγ=3.597 

aγ’=3.571 

 

1.786  31.34 

1.266  17.91 

3.101  8.11  Ortho 

Ni3Nb 

(011)  a=5.116 

b=4.26 

c=4.565 

 

1.147  3.08 

2.54  0.68  FCC 

NbC 

(111) (220) 

(311) (222)

a=4.471   

1.621  4.56 

1.361  1.99 

1.293  0.73 

2.125  10.35  FCC 

TiN 

(200) (111) 

(220) (311)

a=4.238 

 2.442  0.17 

1.537  5.51 

1.266  17.91 

2.052  100  BCC 

Fe9.64Ti0.3

(110) (211) 

(200) 

a=2.877   

1.159  6.92 

1.451  7.97 

2.317  7.45  FCC 

CrC 

(111) (200) 

(220) (311) 

(222) 

a=4.03   

2.052  100 

1.451  7.97 

1.293  0.73 

1.147  3.08 

1.938  2.72  Hex. 

Ni3Ti 

(202) (201) 

(004) (203) 

(205) 

a=5.096 

c=8.304 

 

 

2.125  10.35 

2.052  100 

1.786  31.34 

1.361  1.99 

2.052  100  FCC 

Mn23C6 

(511) (422) 

(531) 

a=10.59   

2.125  10.35 

1.786  31.34 

Welding 

2.057  100  �

FCC (111) (200) 

(220) 

aγ=3.597 

aγ’=3.571 

 

1.789  39.41 

1.267  20.12 

3.037  38.24  Orthorh.

Ni3Nb 

(011)  a=5.116 

b=4.26 

c=4.565 

 

1.125  1.36 

2.491  15.2  FCC 

NbC 

(111) (220) 

(311) (222)

a=4.471   

1.602  20.82 

1.336  1.02 

1.296  4.26 

2.098  18.29  FCC 

TiN 

(200) (111) 

(220) (311)

a=4.238 

 2.491  15.2 

1.525  9.85 

1.267  20.12 

Page 8: Repair Process for Turbine Casting

www.me‐journal.org                                                                        Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013

68    

2.057  100  BCC 

Fe9.64Ti0.3

(110) (211) 

(200) 

a=2.877   

1.125  1.36 

1.434  15.12 

2.283  19.86 

FCC 

CrC 

(111) (200) 

(220) (311) 

(222) 

a=4.03 

 

2.098  18.29 

1.473  2.37 

1.296  4.26 

1.125  3.08 

2.057  100 BCT 

Ni4Mo 

(121) (310) 

(002) 

a=5.72 

c=3.564 

 

1.873  18.75 

1.789  39.41 

1.92  10.72 Orthorh.

Ni3Mo (211) (020)

a=5.064 

b=4.224 

c=4.448 

 

2.098  18.29 

2.219  0.64 

2.057  100  Hexago

nal 

Fe2Ti 

(112) (103) 

(201) 

a=4.796 

c=7.833 

 

1.92  10.72 

2.219  0.64 

2.057  100 Hexago

nal 

Fe2Nb 

(112) (103) 

(201) 

a=4.813 

c=7.849 

 

2.283  19.86 

1.92  10.72 

 

Heat Transfer Studies 

To understand  the mechanism of  the segregation and 

the microstructure  formation  during  repair welding, 

temperature  measurement  has  been  employed.  The 

instantaneous  cooling  rate  is  slightly high  (30.55°C/s) 

in  braze  welding  which  minimizes  the  segregation 

during solidification. The instantaneous cooling rate in 

welding  is  found  to be 26.45°C/s  (Figures‐xvi  to xix). 

Hence segregation is moderately higher in the welding 

route. 

As  already  discussed,  compromise  between  thermal 

stresses  and  cooling  rate  minimizes  HAZ  micro‐

fissuring. It also controls the formation of Laves phase. 

Braze welding process  for  the set variables exhibits a 

maximum instantaneous cooling rate of 30.550C/s and 

a  corresponding heating  rate of 30.50C/s. The heating 

rate  ranges  from  6.95  to  130.10C/s  and  cooling  rate 

ranges  from  2.15  to  30.55  0C/s  for  braze  welding 

process.  An  average  heating  rate  of  41.54  0C/s  and 

average cooling rate of 15.65 0C/s are observed in braze 

welding  process.Similarly  in  the welding  process  for 

the set variables, maximum instantaneous cooling rate 

is  of  26.450C/s  and  a  corresponding  heating  rate  is 

30.50C/s. The heating rate ranges from 6.95 to 67.750C/s 

and  cooling  rate  ranges  from  2.15  to  26.45  0C/s  for 

welding process. An average heating rate of 31.2  0C/s 

and average cooling  rate of 8.57  0C/s are observed  in 

braze welding process. 

50 100 150 200 250 300

50

100

150

200

250

300

Te

mp

era

ture

(癈

)

Time (sec)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12

 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500

0

100

200

300

400

500

Tem

pera

ture

(癈

)

Time (sec)

dT/d

t(癈

/se

c)

max

=30.55癈 /sec

T=247.4癈

-35

-28

-21

-14

-7

0

7

14

21

28

35

T2Alloy 706 - Braze welding

FIG. xvi COOLING CURVES FOR 

BRAZE WELDING 

FIG. xvii COOLING RATE IN 

BRAZE WELDING FOR THE SET 

PARAMETERS 

1200 1300 1400 1500

100

200

300

400

500

Te

mp

era

ture

(癈

)

Time (sec)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12

 

0 100 200 3000

100

200

300dT

/dt(癈

/se

c)

TE

MP

ER

AT

UR

E (癈

)

Time (sec)

Welding of Alloy 706

-30

-20

-10

0

10

T1

max

=26.45癈 /sec

T = 199.7癈

FIG. xviii COOLING CURVES FOR 

WELDING 

FIG. xix COOLING RATE IN 

WELDING FOR THE SET 

PARAMETERS 

From  the  experiment  results,  it  is  evident  that  equal 

amounts  of  instantaneous  heating  and  cooling  rates 

are  effective  in  controlling  the  segregation.  The  area 

under  the  heating  and  cooling  curves  is  the 

corresponding  energies  spent  for  dis‐solution  and 

segregation  respectively.  The  heating  rate  energy  is 

directly proportional  to dis‐solution  and  cooling  rate 

Page 9: Repair Process for Turbine Casting

Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013                                                                        www.me‐journal.org 

    69

energy  is  inversely  proportional  to  segregation. 

Heating  rate  energy  in  braze welding  is  50.95  Joules 

and  25.65  Joules  for  welding.  Similarly  cooling  rate 

energy  in  braze  welding  is  43.34  Joules  and  102.35 

Joules  for welding  process. Hence  in  braze welding, 

there  is  a  reduction  in  segregation  in  the  inter‐

dendritic  region.  Since  energy  is  equalized,  thermal 

stresses are also balanced. Thus HAZ micro‐fissuring 

is avoided. 

Mechanical Testing and Fractographic Analysis 

The  room  temperature  tensile  test  results  of  braze 

welded samples show comparable  joint strength with 

that of welded samples. The ductility of braze welded 

joints  is higher  than  that of welded  samples by  31%. 

The  details  of  the  room  temperature  and  elevated 

temperature (477°C) tensile tests are shown in table‐V.  

TABLE V MECHANICAL PROPERTIES AT 298K & 750K 

Process 

Test 

temperat

ure 

(°C) 

Mechanical properties# Failure 

locatio

UTS 

(MPa

0.2%Y

(MPa) 

Elongatio

Welding 23  622.67  359.33  13.47 

HAZ 477  517.67  317  12.73 

Braze 

Welding 

23  600  313  17.6 

477#  480  305  12 

# Dual necking observed. All the test values are the average of three 

samples

Room  temperature mechanical properties of  repaired 

specimens have been  compared with  those of as  cast 

samples. 89.46% weld efficiency with welding route on 

ultimate  tensile  strength  and  86.21% weld  efficiency 

with  braze welding  route  on  similar  conditions was 

found.  

Room  temperature  tensile  test  fracture  surfaces  of 

braze welded  samples  (Figures‐xx a & b)  show more 

of dimple  structure, which  reflects  in  the ductility of 

fusion  zone.  In  case  of welded  sample  (Figures‐  xxi 

a&b), mixed structures (Cleavage and dimple) are seen. 

The  volume  fraction  of  dimple  structure  in  braze 

welded sample  is higher  than  that  in welded sample. 

Similarly, the elevated temperature tensile test fracture 

surfaces of braze welded samples (Figures‐xxii a & b) 

show  trans‐granular  fracture  surface with wavy  slip 

mode. This mode of deformation  is promoted by  the 

presence of non‐shearable carbides. In case of welded 

sample (Figures‐xxiii a & b),  inter‐granular fracture  is 

promoted by the presence of brittle laves phase. 

 

FIG. xx (a) & (b) SEM FRACTOGRAPHS OF BW SAMPLE 

TESTED AT 23°C 

 

FIG. xxi (c) & (d) SEM FRACTOGRAPHS OF BW SAMPLE 

TESTED AT 477°C 

 

FIG. xxii (a) & (b) SEM FRACTOGRAPHS OF WELDED 

SAMPLE TESTED AT 23°C 

 

FIG. xxiii (a) & (b) SEM FRACTOGRAPHS OF WELDED 

SAMPLE TESTED AT 477°C 

Conclusion

Based on the experiments conducted on the aged cast 

alloy  706  billets  with  braze  welding  and  welding 

processes, the following can be concluded: 

Joint  strength  by  braze  welding  route  is 

comparable  with  that  obtained  in  welding 

route 

Ductility of braze weldment  is better than that 

in  fusion  zone  and  thereby  having  more  of 

creep crack growth resistance 

Page 10: Repair Process for Turbine Casting

www.me‐journal.org                                                                        Journal of Metallurgical Engineering, Volume 2 Issue 2, April 2013

70    

In‐situ cracks can be repaired by braze welding 

process  with  minimal  damage  to  the  base 

material  and  lesser  strength mismatch  in  case 

of as welded condition 

ACKNOWLEDGEMENTS

The  authors would  like  to  thank Director/ LPSC  and 

AD/LPSC  (M)  for giving  this opportunity  to work on 

this  problem.  Meanwhile  authors  thank 

Shri.CH.Kunhikamaran  for  his  valuable  technical 

guidance  during  this  work.  They  would  also 

appreciate,  Dr.P.Ramesh  Narayanan, 

Dr.SVS.N.Murthy, Dr.VMJ.Sharma,Dr.Biju.S.Nair  and 

Mr.Sudharsan Rao of VSSC, Mr.Thomas Tharian and 

Mr.P.Palvannan  of  LPSC  for  their  support  in micro‐

structural characterization.  

REFERENCES

American Society of Testing Materials E8, E21‐09 

American Welding Society‐ Brazing manual, 1963 

Carlson,  R.G.,Superalloy  716‐‐Metallurgy  and 

Applications,The Minerals, Metals & Materials  Society, 

(1989) 

Cieslak, M. J., Knorovsky, G. A., Headley, T. J., and Romig, 

Jr.,  A.  D.,  Superalloy  716‐‐Metallurgy  and 

Applications,The Minerals, Metals & Materials  Society, 

(1989) 

Davis.,J.R, ASM Speciality handbook:Nickel,Cobalt and their 

alloys,ASM International (2000) 

Dye, D., Hunziker,O., and   Reed,R.C., Acta Mater. 49 (2001) 

683–697. 

Feng,Z., David, S.A., Zacharia, T., and Tsai, C.L.,Sci. Technol. 

Weld.Join. 2 (1997),11–19. 

Heck,  K.A.,Superalloys  718,  625,  706  and  Various 

Derivatives. TMS, (1994)    

Idowu,O.A., Ojo, O.A., and Chaturvedi,M.C: Mater. Sci. Eng. 

A, (2007), vol. 454, pp. 389–97 

INCONEL  alloy  706  Technical  Bulletin,  Special  Metals 

Corporation, (2004) 

Kou,S., Welding Metallurgy,  Edn‐2,  John Wiley  and  sons, 

(1987),pp 303‐318 

Li,Z., Gobbi, S.L. ,and Loreau, J.H., J. Mater. Process. Technol. 

65 (1997) 183–190. 

Matheij,J.H.G., Mater. Sci. & Tech. (1985) 1:pp 608612 

Mayor,R.A., Weld. J. Weld. Res. Suppl. 55 (1976) 269s–275s 

Mel.M.Schwartz,  Brazing‐IInd  edition,  ASM  International 

(2003) 

Moll,  J.H., Maniar,  G.N.,and Muzyka,  D.R.  , Met.  Trans., 

(1971) 2, #8, pp2143  

Ou,C.L., Liaw, D.W., Du, Y.C., and Shiue, R.K., J. Mater. Sci. 

(2006)41: pp6353‐6361 

Radhakrishnan,  B.,  and  Thompson,  R.  G.,  Metallography 

(1988)21:pp 453‐471  

Richards,N.L,  Nakkalil,R.,  and  Chaturvedi,M.C.,:  Metall. 

Mater.Trans. A, (1994), vol. 25A, pp. 1733–45