Monografia 19 Teoretyczno-doświadczalne podstawy procesu tarciowej modyfikacji warstw wierzchnich (FSP)

W monografii przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych, dotyczących technologii tarciowej modyfikacji powierzchni (ang. Friction Stir Processing, FSP) odlewniczego stopu aluminium A1Si9Mg, których celem było wyznaczenie zależności pomiędzy parametrami technologicznymi procesu a siłami i momentem działającymi na narzędzie oraz temperaturą w obszarze modyfikacji. Przedmiotem analiz było również wyjaśnienie różnic w mikrostrukturze obszaru zmodyfikowanego materiału w odniesieniu do materiału w stanie dostawy. Wyjaśniono mechanizm ruchu uplastycznionego materiału w trakcie procesu modyfikacji i jego wpływ na kształt obszaru zmodyfikowanego i poziom naprężeń pozostających.

W pierwszej części pracy dokonano analizy danych literaturowych nt. procesu FSP, co pozwoliło na wskazanie celu i zakresu prowadzonych badań. Przybliżono pojęcia warstwy i powłoki oraz scharakteryzowano najważniejsze metody wytwarzania warstw wierzchnich. Przedstawiono ideę samej metody FSP, parametry technologiczne i opisano strukturę obszaru modyfikowanego tarciowo. Omówione zostały narzędzia, urządzenia, oprzyrządowanie oraz systemy pomiarowe stosowane w metodzie FSP. Określono wpływ warunków technologicznych procesu na siły i moment działające na narzędzia. Omówiono wyniki modelowania numerycznego procesu modyfikacji FSP. Zaprezentowano możliwości modyfikacji różnych materiałów konstrukcyjnych oraz przedstawiono wyniki badań procesu modyfikacji FSP z materiałem dodatkowym. Podsumowaniem części pierwszej jest rozdział, w którym omówiono zastosowanie procesu FSP do modyfikacji złączy spawanych.

W części drugiej monografii przedstawiono wyniki badań własnych. Scharakteryzowano opracowaną metodykę badawczą oraz dobrano parametry technologiczne procesu FSP. Zidentyfikowano niezgodności, jakie mogą występować w badanym stopie A1Si9Mg po tarciowej modyfikacji. Pomiary sił i momentu działające na narzędzie robocze oraz temperaturę narzędzia były realizowane za pomocą głowic pomiarowych. (…) Badania zależności pomiędzy parametrami technologicznymi procesu a momentem obrotowym i temperaturą umożliwiły wyjaśnienie zjawisk zachodzących w trakcie tarciowej modyfikacji oraz stanowiły dane wejściowe przy opracowaniu zespolonego modelu numerycznego procesu FSP.

Przyjęte założenia i model numeryczny poddano weryfikacji doświadczalnej. Do weryfikacji zastosowano wyniki pomiarów temperatury narzędzia oraz wyniki pomiaru naprężeń pozostających metodą trepanacyjną. Uzyskane w badaniach wyniki uzyskały zgodność z wynikami obliczeń, potwierdzając prawidłowość opracowanego zespolonego modelu numerycznego procesu modyfikacji FSP. Ponadto model numeryczny umożliwił wyznaczenie temperatury w obszarze oddziaływania narzędzia roboczego oraz prędkość i trajektorię ruchu uplastycznionego materiału wokół narzędzia roboczego. Zastosowanie modelu umożliwiło również obliczenie temperatury po stronie spływu i natarcia w zależności od zastosowanych parametrów technologicznych procesu.

Wielkoskalowa analiza mikrostrukturalna przy użyciu mikroskopii świetlnej, SEM i TEM wykazała znaczące rozdrobnienie mikrostruktury materiału zmodyfikowanego w porównaniu do materiału w stanie dostawy. (…) Przeprowadzono również badania tekstury stopu AlSi9Mg przy użyciu metody rentgenowskiej i dyfraktometrii neutronowej. W materiale poddanym procesowi FSP wykazano wyraźną niejednorodność tekstury obu faz α-Al i Si zarówno na grubości, jak i na szerokości modyfikowanej warstwy.

Wyniki pracy mogą przyczynić się do dalszego rozwoju technologii tarciowej modyfikacji, w szczególności ukierunkowane na praktyczne jej zastosowanie. Opracowana metodyka badawcza będzie mogła być stosowana przy analizie procesu FSP również innych materiałów oraz technologii zgrzewania metodą FSW. (…) Zespolony model będzie mógł być stosowany dla różnych materiałów modyfikowanych lub zgrzewanych po uwzględnieniu stałych materiałowych, właściwych dla analizowanych materiałów.