Stopy wysokoentropowe (HEA) do zastosowań na powłoki o zwiększonej odporności na zużycie w różnych warunkach eksploatacji
Projekt uzyskał finansowanie w konkursie na granty pt. „ISKRA - budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych” realizowanym w ramach Politechnicznej Sieci VIA CARPATIA im. Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego. Kierownikiem projektu jest dr hab. inż. Wojciech Nowak, prof. PRz z Katedry Nauki o Materiałach na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. Projekt realizowany jest przez zespół badawczy z Politechniki Białostockiej, Politechniki Lubelskiej i Politechniki Rzeszowskiej. Liderem projektu jest Politechnika Rzeszowska.
Zespół badawczy
Politechnika Białostocka: wykonawca wiodący dr hab. inż. Małgorzata Grądzka-Dahlke, prof. PB, wykonawcy: dr hab. inż. Dariusz Perkowski, prof. PB, mgr inż. Marzena Tokarewicz.
Politechnika Lubelska: wykonawca wiodący dr hab. inż. Mariusz Walczak, prof. PL, wykonawca dr inż. Mirosław Szala.
Politechnika Rzeszowska: wykonawca wiodący dr hab. inż. Wojciech Nowak, prof. PRz, wykonawcy dr inż. Tadeusz Kubaszek, dr inż. Andrzej Gradzik.
Opis projektu
Materiały metaliczne to grupa tworzyw najczęściej stosowanych na elementy konstrukcyjne ze względu na ich doskonałe właściwości wytrzymałościowe oraz anizotropowość tych właściwości, jak również ze względu na możliwość ich aplikowania w postaci powłok. Materiały metaliczne, w szczególności stale, bardzo często są stosowane w warunkach narażających te materiały na zużycie ścierne i erozyjne. Zużycie to może następować na skutek różnych mechanizmów. Materiały wykorzystywane 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 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, tak 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. Istnieje zatem konieczność zwiększenia odporności stopów np. przez 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 wykorzystywane na powłoki to głównie klasyczne kompozycje składu chemicznego na osnowie żelaza, niklu lub kobaltu, materiały kompozytowe lub ceramiczne. Obecnie 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 one dynamicznie rozwijającą się grupę materiałów. Materiały będące przedmiotem 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.
Jak dotąd stopy HEA najwięcej zastosowania znalazły w warunkach korozyjnych. Systematycznie zwiększa się liczba prac naukowych z zakresu oceny mikrostruktury stopów HEA, natomiast nie ma publikacji 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, 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. W związku z tym w niniejszym projekcie powłoki zostaną wytworzone metodami plazmową oraz laserową.
Odpowiednio dobrany program badań w zakresie poznania charakterystyk odporności na zużycie ścierne, erozję przez cząstki stałe oraz erozję kawitacyjną przyczyni się zatem do przewidywania właściwości, projektowania i praktycznych zastosowań materiałów HEA, szczególnie że w projekcie zostaną opracowane stopy HEA o oryginalnym składzie chemicznym, wcześniej nieodnajdywane 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: Opracowanie i wytworzenie powłok z oryginalnego stopu wysokoentropowego charakteryzujących się zwiększoną odpornością na zużycie w różnych warunkach eksploatacji.
Badania powstały w ramach zadania zleconego pn. „Politechniczna Sieć VIA CARPATIA im. Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego” finansowanego z dotacji celowej Ministra Edukacji i Nauki nr umowy MEiN/2022/DPI/2578 z dnia 26.10.2022 r. działanie „ISKRA - budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych”.
