Optymalizacja projektowania stopów na potrzeby obróbki przyrostowej
Europejski przemysł wytwórczy stawia czoła wielu wyzwaniom związanym z konkurencją na całym świecie oraz transformacją w kierunku efektywnego gospodarowania zasobami i energią. Nowe materiały metaliczne wzmacniane dyspersoidami tlenkowymi mogą stanowić przełom dla europejskiego przemysłu przetwórczego, umożliwiając budowę urządzeń pracujących w wysokiej temperaturze, takich jak głowice palników gazowych i wymienników ciepła, wyposażonych we wbudowane czujniki. Powołane w ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu topAM(odnośnik otworzy się w nowym oknie) konsorcjum badawcze miało na celu opracowanie nowych metod przetwarzania tego rodzaju materiałów opartych na różnych metalach zawierających zdyspergowane nanocząstki tlenków i azotków. Zespół miał na celu opracowanie nowych materiałów metalicznych z nanostrukturami, które można wykorzystać w konstrukcjach o złożonych kształtach dzięki jednej z technik druku 3D - warstwowe spiekanie metalowego proszku przy pomocy lasera (PBF-LB/M). „Opracowane przez zespół stopy mogą być stosowane w atmosferach silnie nawęglających i utleniających przy temperaturach roboczych sięgających nawet 1 400 °C, na przykład w instalacjach przeznaczonych do produkcji wodoru z syngazu”, wyjaśnia Ulrich Krupp(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesor i kierownik Katedry Inżynierii Metali w Instytucie Stali IHEK na Uniwersytecie RWTH w Akwizgranie. „Udowodniły to testy wytworzonego w technologii druku 3D palnika gazowego z wzmocnionego superstopu na bazie niklu”. Badania te mogą stanowić przełom nie tylko w przemyśle wytwórczym, ale także w rozwoju dużych i czystych elektrowni. Wiele czołowych technologii wytwarzania energii opiera się na bezpiecznym i wydajnym wykorzystaniu materiałów i urządzeń zapewniających odpowiednie osiągi w wysokiej temperaturze.
Połączenie inżynierii obliczeniowej z produkcją metali
Aby usprawnić proces produkcji nowych metali, zespół wykorzystał zintegrowaną obliczeniową inżynierię materiałową. Prace objęły wykorzystanie termodynamiki obliczeniowej do przewidywania występowania różnych faz w złożonych stopach, w zależności od ich indywidualnego składu chemicznego. „W kolejnym kroku wykorzystaliśmy modele do przewidywania trwałości stopów w zależności od wielkości i udziału objętościowego cząstek dyspersoidów tlenkowych”, wyjaśnia Krupp. To pozwoliło zespołowi na symulację wymaganego stężenia pierwiastka stopowego tworzącego cząstki.
Skuteczniejsza modyfikacja proszku za pomocą nanocząstek
Zespół projektu topAM rozpoczął prace od przyjrzenia się różnym potencjalnym sposobom modyfikacji proszku w celu włączenia nanocząstek do procesu produkcyjnego. Badania wykazały, że procesy azotowania przeprowadzane wewnętrznie przyniosły najlepsze rezultaty. Podczas atomizacji gazowej - rozpylania stopu w stanie ciekłym za pomocą wysokociśnieniowej mieszaniny argonu i azotu - niewielkie stężenie tytanu w kropelkach stopu jest w stanie reagować ze strumieniem azotu in situ. „Podobny rezultat udało się uzyskać dzięki wystawieniu sproszkowanego stopu na działanie atmosfery azotującej w reaktorze ze złożem płynnym ex situ”, zauważa Krupp, koordynator projektu topAM. Mikroskopia elektronowa wysokiej rozdzielczości wykazała, że nanocząstki azotku tytanu są rozmieszczone równomiernie. „Próbki przygotowane w technologii druku 3D przy użyciu odpowiedniego proszku wykazały doskonałe właściwości mechaniczne, w szczególności w wysokich temperaturach”, mówi Krupp. Technologie wykorzystania zintegrowanej obliczeniowej inżynierii materiałowej w celu opracowania stopów oraz modyfikacji proszku za pomocą reaktora ze złożem płynnym zostały już objęte zgłoszeniami patentowymi, ponadto ruszyły kolejne projekty. Nowe inicjatywy skupiają się na różnych obszarach zastosowań, obejmujących lotnictwo i przełączniki wysokiego napięcia.
Rozwój możliwości produkcyjnych Europy
Nowatorskie stopy zapewniają unikalne połączenie wytrzymałości, odporności na pełzanie i korozję w bardzo wysokich temperaturach, a druk 3D metodą spiekania laserowego w złożu proszkowym umożliwia produkcję rozwiązań szytych na miarę. „Takie rozwiązania spełniają wymogi strukturalne i funkcjonalne wymagających produktów, w tym podzespołów wykorzystywanych w lotnictwie i energetyce”, dodaje Krupp. „Rozwiązania dla przemysłu przetwórczego czy wysokowydajne jednostki chłodzące na potrzeby mikroelektroniki pozwolą Europie utrzymać konkurencyjność i niezależność w rozwijających się i strategicznych segmentach rynku”.
