Tytuł: W kierunku określenia synergii wytrzymałości i ciągliwości: Nowa generacja heterogenicznych nanostrukturalnych stopów Al-Si – badania struktury, własności mechanicznych i mechanizmów odkształcenia plastycznego
Nr projektu: 2021/43/D/ST8/01946
Pozyskana kwota na realizację projektu: 665 876 zł
Czas trwania: 24.06.2022 – 23.06.2025
Lider: Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny
Kierownik projektu: dr inż. Przemysław Snopiński
Opis projektu:
Druk 3D metali to rozwijająca się dynamicznie branża, umożliwiająca produkcję skomplikowanych części metalowych z użyciem proszków jako surowców. W kontekście obecnych tendencji rynkowych prognozuje się, że globalny rynek druku 3D (metali) osiągnie wartość 19 miliardów dolarów do 2029 roku. Obecnie dominującym obszarem zastosowania technologii addytywnych jest szybkie prototypowanie (Rapid Prototyping), obecne praktycznie we wszystkich branżach, w których produkty końcowe wymagają fizycznych detali. Rozległe zastosowanie sprawia, że rosną również oczekiwania dotyczące własności tych materiałów, zwłaszcza dokładności i jakości topografii powierzchni, oraz ich wytrzymałości mechanicznej.
W porównaniu do tradycyjnych metod produkcji, takich jak odlewanie, innowacyjność technologii przyrostowych może być postrzegana jako pewna wada, ale jednocześnie otwiera wiele fascynujących perspektyw rozwoju. Dotychczasowe badania, zarówno w skali laboratoryjnej, jak i przemysłowej, koncentrowały się na poprawie własności mechanicznych poprzez ocenę wpływu parametrów produkcji, obróbkę cieplnej, chemicznej lub powierzchniowej. Niemniej jednak, niewiele prac poświęcono alternatywnym procesom post-procesowym, w których intensywne odkształcenie plastyczne stanowi ostatni etap.
Głównym wyzwaniem technologicznym wynikającym z synergii dwóch technologii, tj. selektywnego przetapiania laserowego (SLM) i intensywnego odkształcenia plastycznego, jest ograniczona podatność na obróbkę plastyczną stopów metali otrzymanych z druku 3D. Wynika to między innymi z naprężeń rezydualnych termicznie indukowanych. Z drugiej strony, bardzo szybkie chłodzenie w procesie SLM (105–106 K/s) sprzyja tworzeniu unikalnej, niejednorodnej mikrostruktury z obszarów twardych (płaszcz) i miękkich (rdzeń).
Proponowane w projekcie rozwiązanie obejmuje projektowanie/dostosowanie procesu obróbki cieplnej elementów z wykonanych w technologii druku 3D w taki sposób, aby zachować w jak największym stopniu unikalną (metastabilną) niejednorodną mikrostrukturę, jednocześnie poprawiając wskaźniki opisujące ciągliwość.
Koncepcja innowacyjnej technologii produkcji stopów Al-Si o wysokiej wytrzymałości i plastyczności opiera się na niejednorodnej mikrostrukturze - miękkim rdzeniu Al/twardym płaszczu Si. W trakcie intensywnego odkształcenia plastycznego gradient deformacji prowadzi do powstania naprężeń wewnętrznych o dużym zasięgu (long-range internal stresses). Te naprężenia są akomodowane przez dyslokacje geometrycznie niezbędne, które jednocześnie stanowią przeszkody dla ruchu dyslokacji statystycznie zmagazynowanych, intensyfikując tym samym proces rozdrobnienia mikrostruktury.
Poprawa własności mechanicznych zostanie osiągnięta w skutek synergicznego oddziaływania kilku mechanizmów umocnienia - rozdrobnienia mikrostruktury oraz akumulacji defektów/przeszkód (dla dyslokacji statystycznie zmagazynowanych) przez dyslokacje geometrycznie niezbędne (GNDs), generowane we wczesnym etapie odkształcenia plastycznego materiału niejednorodnego. Jednocześnie oczekuje się poprawy ciągliwości dzięki utrzymaniu gradientu odkształcenia, akomodowanego przez powstałe naprężenia o dużym zasięgu.
Przeprowadzone w ramach projektu badania mają na celu obserwację fundamentalnych zjawisk odkształcenia na skalę mikro i nanometrycznej, aby określić wpływ naprężeń powrotnych na zdolność do umacniania odkształceniowego (czyli zdolność do magazynowania energii odkształcenia plastycznego) stopów Al-Si otrzymanych technologią selektywnego topienia laserowego (SLM).
