Nowe i odporne na wysokie temperatury superstopy o wysokiej entropii do druku 3D
Poszukiwanie materiałów, które będą w stanie sprostać ekstremalnym warunkom panującym w silnikach odrzutowych i turbinach gazowych, to jedno z najważniejszych przedsięwzięć realizowane przez liderów branży lotniczej i kosmicznej. Superstopy na bazie niklu, charakteryzujące się doskonałą wytrzymałością i odpornością na wysokie temperatury, dotychczas stanowiły podstawowy materiał wykorzystywany do produkcji takich podzespołów. Potrzeba zwiększania temperatur pracy spowodowała jednak osiągnięcie granicy możliwych osiągów - wymagane temperatury są zbliżone do temperatury topnienia tych stopów. Superstopy na bazie kobaltu zyskują coraz większą popularność jako możliwa alternatywa. Dzięki fazom γ' (gamma prim) - mikroskopijnym osadom powstającym w strukturze krystalicznej i zwiększającym jej wytrzymałość, stopy te mogą osiągać lepsze parametry niż ich odpowiedniki oparte na niklu, zwłaszcza w warunkach wysokiej temperatury. Ich wytwarzanie wiąże się jednak z wieloma trudnościami.
Łączenie najlepszych sposobów
Zespół finansowanego ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie” projektu CNSTech zajął się połączeniem wytrzymałości metalu i kobaltu dzięki metalurgii proszków, która obejmuje mieszanie, kształtowanie i podgrzewanie proszków metali w celu uzyskania gotowego stopu. „Naszym celem było uzyskanie superstopów nowej generacji, czyli superstopów o wysokiej entropii”, zauważa José Manuel Torralba, koordynator projektu. Założeniem badaczy była poprawa osiągów i parametrów metali względem materiałów wykorzystywanych obecnie w rozwiązaniach wymagających odporności na wysokie temperatury. „W ramach prac staraliśmy się rozwiązać niektóre typowe problemy trapiące konwencjonalne superstopy o wysokiej entropii poprzez udoskonalenie metod opartych na proszkach i umożliwienie połączenia ich z najnowocześniejszymi technikami druku 3D, takimi jak selektywne spiekanie laserowe ze złoża proszkowego”, wyjaśnia Torralba.
Rozwój stopów o wysokiej entropii
Najważniejsze osiągnięcia badaczy obejmują opracowanie jednofazowych proszków stopowych charakteryzujących się wysoką entropią, których najważniejszą cechą jest wyższa temperatura topnienia faz γ', kluczowa w celu określenia punktu topnienia jednego ze składników w stopie metali. Znajomość tej temperatury pozwala na stosowanie precyzyjnych metod podgrzewania i chłodzenia, a także umożliwia uzyskanie wyjątkowej odporności na wysokie ciśnienie i temperatury. Inne osiągnięcia badaczy obejmują opracowanie zoptymalizowanych map obróbki na potrzeby wytwarzania pozbawionych wad elementów przy pomocy technologii obróbki przyrostowej, a także skutecznych technik plazmowego spiekania iskrą, zakładających użycie prądu elektrycznego i ciśnienia w celu uzyskania stopów dzięki wykorzystaniu metalurgii proszków. Badacze skupili się również na analizach pozwalających na stwierdzenie, w jaki sposób rozmieszczenie i rozkład atomów w stopie - entropia struktury - wpływa na jego właściwości. Dzięki współpracy z partnerami zewnętrznymi udało im się dokonać znaczących postępów w udoskonalaniu metod badania i analizy charakterystyki materiałów.
Zgłębianie wyjątkowej zależności
W ramach projektu CNSTech powstały nowatorskie stopy oraz techniki obróbki proszków dostosowane do superstopów o wysokiej entropii, które stanowią przełom względem konwencjonalnych technologii. Dzięki wykorzystaniu wysokiej entropii i zaawansowanych technik produkcji, badacze skupieni wokół projektu CNSTech starali się uzyskać wyższe temperatury topnienia faz γ' i poprawić możliwości wykorzystania technologii druku 3D względem konwencjonalnych superstopów. „Nasze przełomowe podejście było oparte na hipotezie, że powiązanie wysokiej entropii z temperaturą topnienia faz γ' przełoży się na prawdziwy przełom”, podkreśla Torralba. Taka zależność stanowi znaczące odstępstwo od konwencjonalnych strategii projektowania stopów, a jednocześnie może umożliwić opracowanie materiałów o wyjątkowych właściwościach. Szczególnie istotne jest to z punktu widzenia komponentów lotniczych i systemów wytwarzania energii, w przypadku których podzespoły muszą być odporne na ekstremalne temperatury i naprężenia występujące podczas pracy.
Rezultaty projektu
Rezultaty projektu CNSTech wpływają znacząco na wiele obszarów i sektorów. „Połączenie wysokiego poziomu entropii z lepszymi osiągami superstopu otwiera nowe możliwości badań dotyczących różnych kategorii stopów, które wykraczają poza pierwotne założenia projektu. Możliwe jest na przykład zastosowanie podobnych rozwiązań do różnych rodzajów stali w celu osiągnięcia nowatorskich stopów o wysokiej entropii opartych na wielu pierwiastkach”, stwierdza Torralba. Zastosowanie takiego podejścia jest przełomem w zakresie materiałoznawstwa - pogłębia zrozumienie termodynamiki superstopów o wysokiej entropii i praktycznych rozważań dotyczących projektowania stopów. Prace pozwolą na poprawę osiągów i parametrów komponentów wpływających na sprawność silników lotniczych i systemów wytwarzania energii dzięki wykorzystaniu nowatorskich superstopów o wysokiej entropii i doskonałych właściwościach.
Słowa kluczowe
CNSTech, sektor lotniczy i kosmiczny, superstopy o wysokiej entropii, wytwarzanie energii, temperatura topnienia γ prim, nikiel, kobalt, druk 3D, metalurgia proszków
