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The continual research and development of nickel-based superalloys is driven by the global demand to improve efficiency and reduce emissions in the aerospace and power generation industries. Integrated Computational Material Engineering (ICME) is a valuable tool for reducing the cost, time, and resources necessary for the development and optimization of the mechanical properties of materials. In this work, an ICME approach for understanding the microstructure development and optimizing the mechanical properties in nickel-based superalloys is employed. Most nickel-based superalloys are precipitate strengthened by either the γ’ phase, γ” phase, or both. Therefore, understanding the precipitation kinetics and morphological evolution of these phases is critical for evaluating their hardening effects during heat treatment and degradation of the microstructure during high temperature service. To this end, a phase-field model has been developed to analyze the nucleation, growth and coarsening kinetics during isothermal and non-isothermal aging conditions. Utilizing the phase-field model, the γ” phase microstructure development and its coherency strengthening effect in Inconel 625 is studied. A novel multistage aging strategy to optimize the γ” phase strengthening effect and reduce aging times for Inconel 625 is proposed. Secondly, the coarsening kinetic and microstructure development of γ’ strengthening phase in nickel-based superalloys is studied, with the goal of understanding the effect of elastic inhomogeneity on the microstructure evolution at high volume fractions of the γ’ phase. The result shows deviation of the coarsening kinetics from the classical Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) due to the effect of elastic inhomogeneity, highlighting the need for incorporating elastic energy into coarsening theories.

L’objectif de ce travail est d’améliorer la durée de vie en fluage d’un alliage résistant à haute température. L’alliage étudié, nommé « C », appartient à la classe des aciers austénitiques de type HP utilisés pour la fabrication des tubes de reformage. L’évolution microstructurale de l’alliage « C » a été étudiée dans une vaste gamme de températures, s’étendant de 700 à 1040°C pour des temps de vieillissement allant jusqu’à 1000 h. La caractérisation de ces états vieillis a été réalisée au moyen de la microscopie électronique (MEB-FEG, MET) et de la diffraction des rayons X. L’accent a été mis sur une caractérisation fine de la précipitation secondaire présente Ces résultats ont ensuite été utilisés afin d’identifier les conditions thermiques optimales pour l’affinement de la précipitation en vue d’amélioration du comportement macroscopique de l’alliage. La cinétique de précipitation a été modélisée à l’aide du logiciel PRISMA ThermoCalc. Un bon accord entre la simulation et les mesures expérimentales a pu être obtenu.Dans la gamme de températures étudiée, la précipitation secondaire est majoritairement constituée de deux carbures : M23C6 (M=Cr, Fe) et NbC. En condition de service (980°C), la croissance du M23C6 est rapide. La coalescence des précipités survient dès 200 h de vieillissement. Nous avons prouvé qu’un vieillissement à des températures plus basses (700-750°C) permet d’affiner cette précipitation. De plus, notre étude a montré l’efficacité d’un prétraitement à des températures basses, effectué avant la mise en service du matériau à 980°C. Une nette amélioration de la résistance en fluage dans des essais accélérés a été obtenue pour l’alliage « C » ayant subi le prétraitement cité ci-dessus. Outre l’affinement et le retardement de la coalescence du M23C6, la présence d’une précipitation nanométrique du NbC sur des lignes de dislocations est probablement à l’origine de cet effet. / The purpose of this work is to optimise the microstructure of a creep-resistant alloy of the type HP, called “C” (industrial denomination). These austenitic steels are used for the manufacture of reformer tubes. The microstructural evolution of the alloy "C" has been studied in a wide range of temperatures, ranging from 700 to 1040 °C for aging times up to 1000 h. The characterization of these aged states was performed using electron microscopy (FEG-SEM, TEM) and X-ray diffraction, with emphasis on a detailed characterization of this secondary precipitation. This knowledge was then used to identify the optimal thermal conditions for the refinement of precipitation to improve the macroscopic behaviour of the alloy. The precipitation kinetics was modelled using the PRISMA ThermoCalc. A good agreement between simulation and experimental measurements has been obtained.In the studied range of temperature, the secondary precipitation consists mainly of two carbides M23C6 (M = Cr, Fe) and NbC. In the service conditions (980°C), the growth of M23C6 is fast. The coalescence of the precipitates starts after only 200h of aging. Aging at lower temperatures (700-750°C) refines this precipitation. Our study showed the efficacy of pre-treatment of the alloy at low temperatures, before the service of the material at 980°C. In the alloy "C", treated in such conditions, a significant increase in creep resistance was obtained in accelerated testing. In addition to refinement of the secondary precipitation and delaying the effects of coalescence of M23C6, the presence of a nanoscale precipitation of NbC on dislocation lines is probably the origin of this effect.