Nowoczesne stopy na bazie żelaza i na bazie miedzi przeznaczone do wytwarzania wyrobów o projektowanej strukturze i właściwościach z zastosowaniem technologii przyrostowej

PROJEKT BADAWCZO-ROZWOJOWY
FINANSOWANY ZE ŚRODKÓW KRAJOWYCH

Projekt badawczo-rozwojowy (finansowanie NCBR) TECHMATSTRATEG2/410049/12/NCBR/2019
TEMAT:	Nowoczesne stopy na bazie żelaza i na bazie miedzi przeznaczone do wytwarzania wyrobów o projektowanej strukturze i właściwościach z zastosowaniem technologii przyrostowej
Okres realizacji:	04.07.2022 – 31.12.2023
KIEROWNIK:	ppłk dr inż. Paweł PŁATEK tel. +48 261 839 657 e-mail: pawel.platek@wat.edu.pl

1. CEL PROJEKTU

Celem projektu jest opracowanie nowych stopów na bazie Fe i na bazie Cu oraz technologii wytwarzania z tych stopów materiałów wsadowych (w postaci proszków sferoidalnych i drutów), które zostaną wykorzystane do produkcji metodami przyrostowymi części maszyn pracujących w warunkach udarowych obciążeń.

2. KRÓTKI OPIS

Technologie przyrostowe umożliwiają wytwarzania trójwymiarowych obiektów na podstawie modeli przestrzennych o skomplikowanej geometrii w czasie krótszym niż obecnie dostępne konwencjonalne technologie ubytkowe. Znajdują one zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, między innymi w przemyśle motoryzacyjnym, obronnym, lotniczym oraz medycynie. Ponadto umożliwiają one wytwarzanie elementów o kształcie niemożliwych do wykonania za pomocą innych technik produkcyjnych. Technologie przyrostowe są obecnie najintensywniej rozwijanymi technologiami produkcyjnymi na świecie ze względu na szerokie możliwości konstruowania produktów do różnych zastosowań. Ich rozwój jest ściśle związany z postępem w dziedzinie inżynierii materiałowej i technologiach wytwórczych materiałów wsadowych, w postaci proszków metalicznych, ceramicznych lub polimerowych, ciekłych żywic fotoutwardzalnych, czy filamentów z tworzyw termoplastycznych oraz drutów.

Obecnie dostępny asortyment materiałów metalicznych do produkcji metodami przyrostowymi ogranicza się do stali maraging, stali narzędziowych, stali nierdzewnej oraz stopów Ni i Ti. Wymienione materiały są klasycznymi stopami, które przez lata projektowane były w celu ich wykorzystania w klasycznym cyklu wytwarzania: odlewanie, obróbka plastyczna, obróbka skrawaniem, obróbka cieplna. Ponieważ właściwości tych materiałów wynikają w bardzo dużej mierze z mikrostruktury ukształtowanej tymi procesami stosowanie ich do zupełnie innego cyklu technologicznego nie umożliwi uzyskania optymalnych właściwości mechanicznych jak i fizycznych. Dodatkowo brak szerokiej gamy stopów metali konstrukcyjnych wywodzi się głównie z założenia, że obecnie metody wytwarzania przyrostowego uważane są za drogie i opłacalne tylko w wyjątkowych zastosowaniach. Przy obecnej dynamice rozwoju poszczególnych gałęzi przemysłu, staną się one w niedalekiej przyszłości bardzo popularne a to rodzi naturalną potrzebę opracowania nowych materiałów o właściwościach umożliwiających zastosowanie technologii przyrostowych do produkcji większej gamy części maszyn – do tej pory nierozważanych ze względu na nieopłacalność takiego podejścia. W ramach projektu zaplanowano opracowanie technologii produkcji proszków metalicznych do wytwarzania przyrostowego części maszyn, które w czasie eksploatacji są poddawane obciążeniom udarowym, działaniu ściernemu czy cyklom zmęczeniowym. Stąd w ramach projektu zostaną opracowane nowe stopy o wysokich właściwościach mechanicznych i użytkowych, ale dedykowane szczególnie dla przyrostowych technik wytwarzania tj.:
– Fe-Cu-Ni-Al-Mn umacniane wydzieleniami Cu i faz międzymetalicznych,
– modyfikowane nisko- i średniowęglowe stale mikrostopowe z mikrododatkami Ti, V, i Nb,
– zmodyfikowane stale maraging (o kontrolowanym przebiegu procesów wydzieleniowych),
– stopy Fe-Al o zawartości Al powyżej 20%,
– stopy Cu-Al,
– stopy Cu-Ni(Cr)-Si( Ti).

Zakres zaplanowanych prac obejmuje opracowanie składów chemicznych oraz technologii wytwarzania nowych stopów o składzie chemicznym umożliwiającym kontrolę przemian fazowych i procesów wydzieleniowych podczas produkcji w technologii przyrostowej. Jedną z zalet technologii przyrostowych jest możliwość regulacji parametrów procesu kontrolujących bezpośrednio typ powstającej mikrostruktury wyrobu końcowego, a więc pośrednio jego właściwości mechaniczne i użytkowe. W procesie produkcyjnym zostaną wykorzystane trzy najczęściej stosowane techniki wytwarzania tj.: Laser Metal Deposition / Laser Engineered Net Shaping (techniki z grupy Direct Energy Deposition), selektywne przetapianie laserowe (SLM – Selective Laser Melting – z grupy metod Powder Bed Fusion) oraz Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Nowo opracowane w projekcie materiały zostaną zaprojektowane, aby wykorzystać parametry wytwarzania procesu przyrostowego (przetapianie i szybkie chłodzenie, powtórne cykliczne nagrzewania i chłodzenie po zakrzepnięciu) w celu uzyskania finalnego produktu o pożądanych właściwościach mechanicznych, bez konieczności stosowania dodatkowej obróbki cieplnej.

Wyniki realizacji projektu przyczynią się do pozyskania wiedzy z zakresu technologii przyrostowych oraz metod projektowania nowych materiałów dedykowanych do wytwarzania wyrobów przeznaczonych dla różnych gałęzi przemysłu. Uzyskana wiedza pozwoli na rozwinięcie możliwości krajowych instytucji naukowo-badawczych oraz przedsiębiorstw w opracowywaniu nowoczesnych, addytywnych technologii produkcyjnych, zwiększających ich konkurencyjność na rynkach międzynarodowych. Ponadto, będą przygotowane do wdrożenia technologie produkcji z zastosowaniem metod przyrostowych wykorzystujące dedykowane dla tych technologii nowoopracowane materiały na bazie Fe i na bazie Cu oraz technologie wytwarzania materiałów wsadowych (proszki sferoidalne i druty). W projekcie powstanie partia demonstracyjna elementów/wyrobów wykonanych z zastosowaniem opracowanych materiałów i technologii przyrostowych.