Stopy wysokoentropowe (HEA) do zastosowań na powłoki o zwiększonej odporności na zużycie w różnych warunkach eksploatacji.
Projekt Nr: VIAN.RN.22.001- Politechniczna Sieć VIA CARPATIA im. Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego.
Wartość projektu: 449 997,00 zł
Okres realizacji: 01.04.2023 r. – 31.07.2025 r. (28 m-cy)
Kierownik projektu: dr hab. inż. Wojciech Nowak, prof. PRz, Tel. +48 17 743 2375,
email: wjnowak@prz.edu.pl
Opis projektu:
Materiały metaliczne stanowią grupę tworzyw najszerzej stosowanych na elementy konstrukcyjne ze względu na ich doskonałe właściwości wytrzymałościowe oraz anizotropowość tychże właściwości jak również możliwość ich aplikowania w postaci powłok. Bardzo często materiały metaliczne, w szczególności stale, stosowane są w warunkach narażających te materiały na zużycie ścierne i erozyjne. Zużycie to może następować na skutek różnych mechanizmów. Materiały stosowane do wytwarzania narzędzi skrawających czy też elementów połączeń ciernych ulegają zużyciu na skutek interakcji tribologicznych. Z kolei materiały metaliczne stosowane w silnikach lotniczych mogą ulec zniszczeniu na skutek erozji w niskiej temperaturze. Przykład może tutaj stanowić zasysanie pyłów wulkanicznych obecnych w powietrzu lub pyłu piaskowego powodujące erozję łopatek wentylatora czy też sprężarki. Procesy erozyjne mogą zachodzić również w wysokiej temperaturze, jak w przypadku przedostania się wspomnianych pyłów bądź odpadającej powłoki tlenkowej do komory spalania lub turbiny wysokotemperaturowej. Z kolei stopy, z których wykonane są elementy urządzeń służących do transportu płynów (wody zimnej lub gorącej, paliwa czy też pary wodnej) narażone są na działanie kawitacji i ulegają degradacji na skutek oddziaływania erozji kawitacyjnej. Stąd istnieje konieczność zwiększenia odporności stopów np. poprzez opracowywanie nowych stopów o pożądanych właściwościach takich jak odporność na zużycie lub stosowanie powłok ochronnych cechujących się zwiększoną odpornością na zużycie.
Nowoczesnymi technologiami stosowanymi do wytwarzania powłok odpornych na zużycie tarciowe i erozyjne są napawanie laserowe oraz natryskiwanie plazmowe. Materiały dotychczas stosowane na powłoki to głównie klasyczne kompozycje składu chemicznego na osnowie żelaza, niklu lub kobaltu, materiały kompozytowe lub ceramiczne. Aktualnie na rynku komercyjnym nie ma stopów wykazujących pożądaną odporność na zużycie w różnych warunkach eksploatacyjnych, szczególnie w przypadku synergii oddziaływania zjawisk tribologicznych. Obiecującym rozwiązaniem wydają się być stopy wysokoentropowe HEA. Stanowią dynamicznie rozwijającą się grupę materiałów. Materiały będące przedmiotem niniejszego projektu, a mianowicie stopy o wysokiej entropii (HEA), są stosunkowo nowym rodzajem materiałów metalicznych, które składają się z co najmniej pięciu głównych pierwiastków stopowych. Każdy główny pierwiastek powinien mieć stężenie od 5 do 35% at.. Oprócz głównego pierwiastka, HEA’s mogą być domieszkowane niewielkim dodatkiem innych pierwiastków, jednak ich łączne stężenie powinno być niższe niż 5% at.
Jednak największe dotychczasowe zastosowanie stopów HEA to zastosowania w warunkach korozyjnych. Systematycznie zwiększa się ilość prac naukowych z zakresu oceny mikrostruktury stopów HEA natomiast nie ma żadnej pracy skupiającej się na jednoczesnej ocenie odporności na zużycie ścierne, odporności na erozję kawitacyjną oraz odporności na erozję przez cząstki stałe ocenianej w temperaturze pokojowej i podwyższonej. Stopy HEA umożliwiają modyfikację składu chemicznego z zachowaniem stabilności ich mikrostruktury, a tym samym wysoce prawdopodobne jest uzyskanie materiałów o pożądanej odporności na zużycie w różnych warunkach eksploatacyjnych. To stwierdzenie poparte jest wynikami badań własnych zespołu projektowego. Dlatego też w ramach niniejszego projektu jako materiał stosowany do wytwarzania powłok zwiększających odporność na zużycie cierne i erozyjne proponuje się stopy o wysokiej entropii mieszania (HEA). Nowoczesnym i zarazem ekonomicznie uzasadnionym podejściem jest wytwarzanie powłok ochronnych na dostępnych materiałach zamiast wytwarzania kompletnych komponentów z nowych materiałów. Powłoki, w zależności od metody wytwarzania, mogą mieć jednak poważne ograniczenia. Powłoki natryskiwane plazmowo wykazują dużą porowatość, słabą przyczepność do podłoża i niejednorodną mikrostrukturę. Z kolei powłoki wytwarzane przy użyciu lasera zapewniają wysoką przyczepność do podłoża. Dlatego też, w niniejszym projekcie powłoki wytworzone zostaną metodami plazmową oraz laserową.
Stąd też odpowiednio dobrany program badań w zakresie poznania charakterystyk odporności na zużycie ścierne, erozję przez cząstki stałe oraz erozję kawitacyjną przyczyni się do przewidywania właściwości, projektowania i praktycznych zastosowań materiałów HEA. Szczególnie, iż w niniejszym projekcie zostaną opracowane stopy HEA o oryginalnym składzie chemicznym, wcześniej nie odnajdywane w literaturze. Analiza danych literaturowych oraz badania własne autorów projektu wskazują, że tematyka badawcza podjęta wydaje się aktualna i w pełni uzasadniona. W związku z powyższym sformułowano następujący cel projektu pn: Opracowanie i wytworzenie powłok z oryginalnego stopu wysokoentropowego charakteryzujących się zwiększoną odpornością na zużycie w różnych warunkach eksploatacji.