ING. JAN ČÍŽEK, PH. D.

Projekt: CZECOLDSPRAY - Nízkoteplotní kinetické nanášení ochranných kovových Al/Al-Ti vrstev pro oxidační ochranu gamma-blízkých titan aluminidů ve vysokoteplotních oxidačních prostředích

Školitel: Prof. Ing. Švejcar Jiří, CSc.

Hostitelská instituce: Fakulta strojního inženýrství VUT

Země původu: Česká republika

Země vědeckého působení: Singapur

Délka projektu: 12 měsíců

Panel: Institute of Materials Science and Engineering

Abstrakt:

Předkládaná výzkumná studie se zaměřuje na oxidační kontrolu TiAl intermetalik používaných ve vysokoteplotních korozních prostředích využitím nově se vyvíjející technologie kinetického nanášení povrchových vrstev (cold spray).
V průběhu kinetického nanášení budou při nízkých až středně vysokých teplotách naneseny ochranné vrstvy kovových materiálů určených k záměrné korozi na připravené gamma-TiAl substráty. V porovnání s tradičními vysokoteplotními technologiemi používanými k nanesení ochranných povlaků (např. HVOF, detonační zbraň, plazmové nanášení) dojde při použití této technologie k potlačení několika negativních faktorů ovlivňujících celkovou kvalitu, spolehlivost a životnost ošetřených komponent, např. k vývoji sekundárních pnutí, která mohou vést k předčasným lomům a odštípnutí ochranných vrstev, k nežádoucím fázovým změnám vedoucím ke zhoršení vlastností materiálů, k oxidaci materiálů před provedením vlastních korozních zkoušek, ke zvýšené úrovni porozity nástřiků způsobující zhoršení tepelně-mechanických vlastností vrstev nebo např. ke snížení adheze deponovaných materiálů vedoucí k selhání ochranné bariéry, apod.
Očekává se, že ochranné vrstvy deponované technologií kinetického nanášení významně sníží rozsah degenerace komponent pro vysokoteplotní aplikace (včetně např. koroze), rozšíří rozsah jejich použití, významně zvýší jejich spolehlivost a prodlouží jejich životnost.
Navrhovaná základní studie si klade za cíl vyzkoumat možnosti aplikace této technologie pro vysokoteplotní intermetalické materiály a poskytnout alternativní, kvalitnější řešení v porovnání s používanými generačně staršími technologiemi.

ÚMVI, hostující pracoviště jednoho z vědců přicházejícího do ČR v rámci programu SoMoPro, přivítá do svých řad talentované studenty se zájmem o pokrokové a perspektivní materiály a moderní technologie jejich přípravy.

Studenti se stanou součástí výzkumných týmů zaměřených na rozličné aspekty materiálových věd a inženýrství a dostanou příležitost pracovat s novými technologiemi, které se v rámci Ústavu pořizují či připravují. K dispozici je řada atraktivních témat, většinou řešených nebo k řešení v návaznosti na běžící a připravované projekty. Pro podnikavější je možnost návrhu vlastního tématu.

http://www.fme.vutbr.cz/ustav.html?ustav=13280&lang=0

Vzhledem k předpokládaným pobytům na zahraničních pracovištích v průběhu studia je angličtina výhodou. Úspěšné adepty vědy lze podpořit navýšením stipendia z prostředků řešených projektů, specifického výzkumu případně projektů na podporu zvýšení konkurence schopnosti (OPVK).

Kontaktní osobou je stipendista SoMoPro Ing. Jan Čížek, PhD, ciz.jan(at)gmail.com. Dotazovat se lze i telefonicky na 541 143 166.

Závěrečná zpráva projektu

Přehled tématu
Díky svým výhodným vlastnostem jsou -blízké titan aluminidy (“intermetalika”) používány v pokročilých konstrukčních materiálových aplikacích: nabízejí relativně nízké hustoty (3.7–3.9 g•cm−3), vyšší tuhost (až 175 GPa) a pevnost (až 650 MPa), nižší koeficient tepelné roztažnosti (8.5×10−6), vysokou tepelnou vodivost a dobrou oxidační a creepovou odolnost až do středně vysokých teplot.
Intenzivní výzkum těchto materiálů souvisel zejména s materiálovou strukturou (zjemňování zrna, lamelární mikrostruktura), chemickým složením (mikro-legování) nebo technologiemi výroby. Navzdory úspěchům v dílčích oblastech stále existují limitující faktory ovlivňující potenciální použití TiAl intermetalik. Těmi největšími jsou zejména chabá odolnost proti vodíkovému zkřehnutí, snížená odolnost proti trhlinám za středních teplot (450C) a, nejdůležitější, nedostatečná oxidační odolnost při teplotách přesahujících 750C. Bylo ukázáno, že krátkodobé vystavení oxidačnímu prostředí při teplotách okolo 700C vedlo k dramatickému poklesu mechanických vlastností. Jelikož teplotní rozsah případných aplikací slitin TiAl leží mezi 700–800C, vysokoteplotní odolnost proti oxidaci je kritickým faktorem rozhodujícím o celkové provozuschopnosti inženýrských komponent.

Cíle a aktivity
Cílem této navržené prvotní výzkumné studie je snaha o vyřešení oxidačních problémů -blízkých TiAl intermetalik používaných ve vysokoteplotních oxidačních prostředích pomocí originální technologie studeného kinetického nanášení. Při tomto procesu jsou částice kovového prášku vneseny do vysokotlakého toku plynu a urychleny pomocí konvergentně-divergentní trysky (“Lavalova tryska”, používaná např. i ve stíhacích letounech a kosmických raketách). Při nárazu do podkladu se částice plasticky deformují a “mikro-svaří” (tento proces není v současné době ještě plně pochopen), vytvářeje tak spojitou vrstvu přidaného materiálu. Takto nanesená vrstva muže posléze sloužit např. k ochraně proti mechanickým (otěr, kavitace, únava), chemickým (působení kyselin, oxidace) nebo fyzikálním procesům (teplotní gradienty) nebo např. jako biologická mezivrstva (náhrady pevných tkání).

V předkládané studii byly hlavní cíle rozděleny do následujících tří hlavních témat:
1. potvrdit vhodnost technologie kinetického nanášení k depozici ochranných vrstev na intermetalické TiAl substráty
2. určit materiálové a mechanické vlastnosti komponent s ochrannými vrstvami v porovnání s vlastnostmi jejich neošetřených protějšků
3. určit vysokoteplotní oxidační vlastnosti ošetřených komponent v průběhu tepelného zatěžování

K dosažení hlavních cílů byly v rámci projektu navrženy následující aktivity experimentálních prací:
kinetické nanesení vrstev a jejich charakterizace (mikro-strukturní a chemické analýzy), mechanické testování (4-bodový ohyb, mikro-tvrdost a únava), testování oxidační odolnosti (dlouhodobá teplotní expozice).

Výsledky
V rámci studie byly připraveny práškové směsi Al s různým obsahem Ti a byla určena jejich morfologie (oválný 14–77μm Al vs. ostrohranný 11–50μm Ti) a chemické složení (Al obsahoval 3.9% O₂, Ti 2.6% O₂). Ochranné vrstvy těchto směsí určené k záměrné oxidaci byly následně úspěšně naneseny na -blízké TiAl substráty při 300C, přičemž bylo zachováno jejich počáteční chemické složení a původní poměry Al:Ti. Při nanášení také nebyla detekována žádná oxidace a výsledná porozita nástřiku se pohybovala mezi 5.9–27.3%.
Následně bylo provedeno optimalizované tepelné žíhání v ochranné atmosféře argonu pro různé kombinace teplot a časových prodlev s cílem vyvolání žádoucích procesů materiálových změn pro podporu faktorů ovlivňujících anti-oxidační odolnost při následném vysokoteplotním testování. Po tomto žíhání byly vzorky vystaveny teplotám 950C po dobu 100, 250 a 500 hodin. Bylo zjištěno, že rychlost oxidace vzorků byla podstatně snížena (přírůstek oxidu 1.34 mg•cm−2 po 500 hodinách u vzorku s vrstvami vs. 1.21 mg•cm−2 po pouhých 50 hodinách u nepovlakovaných vzorků) a dále že nástřiky s vyšším obsahem Ti byly k této oxidaci náchylnější.
K získání informací o vlivu nanesení vrstev na mechanické vlastnosti byly provedeny zkoušky čtyřbodovým ohybem. Bylo zjištěno, že pevnost v ohybu povlakovaných vzorků dosáhla 630 MPa, tedy méně než u vzorků nepovlakovaných (767 MPa). Tento rozdíl je přičítán akumulování pnutí v povrchově citlivém intermetalickém materiálu pod nástřikem v místě iniciace trhliny. Dále bylo zjištěno, že redukce oxidace ve vzorcích díky nanesení vrstev ne zcela zamezila zhoršení pevnosti v ohybu: po 500 hodinách expozice její hodnoty klesly na 350 MPa (u nepovlakovaných vzorků pro srovnaní klesla na 457 MPa již po 47 hodinách). Byla navržena speciální povrchová úprava po nanesení vrstev potenciálně vedoucí k redukci tohoto negativního jevu.
Následně byly vykonány experimenty na únavovou životnost Ti-kineticky povlakovaných Ti6Al4V substrátů (finančně dostupný materiál s vlastnostmi co možná nejbližšími -TiAl) se speciální geometrií. V průběhu cyklického zatěžování ohybem byl monitorován růst trhlin v materiálu a počet cyklu při porušení 40% nosného průřezu byl považován za hlavní indikátor užitných vlastností. Bylo zjištěno, že povlakované vzorky dosahovaly pouze 91% cyklu nepovlakovaných vzorků, pravděpodobně díky kompenzaci tlakových pnutí ve vrstvách pomocí vzniku tahových pnutí v substrátech, což vedlo ke zvýšení celkových pnutí při následném ohybu.

Využití výsledků, aplikace
Tato studie ukázala, že oxidace citlivých intermetalik TiAl může být podstatně omezena pomocí nanesení přidaných vrstev technologií studeného kinetického naprašování. Testy mechanických vlastností nicméně ukázaly změny ve vlastnostech povlakovaných vzorků (pomalejší než u nepovlakovaných vzorků, přesto s negativním trendem) a bude zapotřebí dalšího výzkumu k vyřešení tohoto problému.
Získané informace o těchto vlastnostech však významně přispěly v našem pochopení vývoje vnitřních pnutí u této technologie a upoutaly pozornost vedoucích světových center technologie studeného naprašování. Po vyřešení zmiňovaných mechanických problémů jsou ideální aplikace funkčních vysokoteplotních intermetalik v leteckém, energetickém a automobilovém průmyslu.