Badania struktury wewnętrznej i powierzchni materiałów oraz powłok i warstw ochronnych metodami makro- i mikroskopowymi

Umowa: 847229-BIOFIRE-RFCS-2018

Źródło finansowania: Research Fund for Coal and Steel, European Commission

Podmiot realizujący projekt – Projekt realizowany jest w następującym Konsorcjum:

1. RINA CONSULTING – CENTRO SVILUPPO MATERIALI SPA (Włochy) – koordynator projektu
2. FLAME SPRAY HUNGARY FEMIPARI SZOLGALTATO ES KERESKEDELMI KFT (Węgry),
3. Sieć Badawcza Łukasiewicz – INSTYTUT METALURGII ZELAZA IM STANISLAWA STASZICA (Polska) (obecnie od 01.01.2023 Górnośląski Instytut Technologiczny),
4. FUNDACION TEKNIKER (Hiszpania),
5. Bono Energia S.p.A. (Włochy),
6. RWE POWER AG (Niemcy),
7. ONDERZOEKSCENTRUM VOOR AANWENDING VAN STAAL NV (Belgia),
8. Salzgitter Mannesmann Präzisrohr GmbH (Niemcy).

Wartość projektu: 2 026 655,95 euro
Okres realizacji projektu: od 2019-06-01 do 2023-05-31

Streszczenie projektu:
Zastosowanie nowych paliw alternatywnych, takich jak paliwa z biomasy wymaga opracowywania rozwiązań materiałowych, które sprostają nowym warunkom pracy. Nakładanie powłok ochronnych, które zwiększają wytrzymałość rur w trudnych warunkach środowiskowych na istniejącą stal (np. T12, T22), aby zwiększyć żywotność rury kotła, zapewnia możliwość szybkiego wykorzystania w praktyce, ze względu na fakt, że materiał bazowy jest dobrze poznany pod względem właściwości. Celem projektu było opracowanie powłok dyfuzyjnych dla poprawy wydajności elementów stalowych w kotłach opalanych paliwami alternatywnymi oraz opracowywanie metod ich powlekania, które mogą być zastosowane w procesie produkcji. Powłoki opracowane w projekcie BIOFIRE zwiększają odporność na oddziaływanie środowiska stali powszechnie stosowanych na rury kotłowe w systemach wytwarzania energii. W ramach projektu opracowano specjalne powłoki dyfuzyjne otrzymywane metodą kontaktową (ang. pack cementation) oraz zawiesinową (ang. slurry). Charakterystykę powłok i osadów korozyjnych w zakresie struktury i składu chemicznego prowadzono z wykorzystaniem elektronowego mikroskopu skaningowego z szerokim wykorzystaniem detektorów EBSD i EDS. Wybrane technologie oraz obróbki cieplnochemiczne mogą zostać następnie wdrożone w procesie wytwarzania stali. Elementy z powłokami spełniają wymagania spawalności i podatności na zginanie. Mogą one być wytwarzane na wewnętrznej (od strony pary wodnej) oraz zewnętrznej (od strony paleniska) powierzchni rur.

Umowa: POIR.04.01.02-00-0111/17-00/2018

Źródło finansowania: Narodowe Centrum Badań i Rozwoju

Podmiot realizujący projekt – Projekt realizowany jest w ramach Konsorcjum:

1. Sieć Badawcza Łukasiewicz – INSTYTUT METALURGII ZELAZA IM STANISLAWA STASZICA (Polska) (obecnie od 01.01.2023 Górnośląski Instytut Technologiczny) – Lider Konsorcjum,
2. D.A.Glass Sp. z o.o.,
3. Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej.

Wartość projektu: 7 099 134.85 zł
Okres realizacji projektu: od 2018-04-01 do 2023-03-31

Streszczenie projektu:
Celem projektu było opracowanie szkła z napylonymi w technologii magnetronowej warstwami o właściwościach biobójczych (eliminujących bakterie i grzyby). Opracowane w ramach projektu nowe produkty i usługi – transparentne szkło o właściwościach biobójczych i usługi związane z jego uzyskaniem – zostaną wdrożone w działalności gospodarczej firmy D.A.Glass. W ramach projektu opracowano kompleksową technologię wytwarzania na skalę półprzemysłową wielopierwiastkowych stopowych katod (targetów), które wykorzystano do wykonania nanowarstwowych napyleń na próbkach szkła, a w kolejnym etapie do przeskalowania do warunków przemysłowych na szkle wielkoformatowym. Przeprowadzono badania mikroskopowe napylonych warstw z wykorzystaniem ultrawysokorozdzielczego skaningowo-transmisyjnego (S/TEM) mikroskopu elektronowego TITAN 80-300, w tym określono ich grubości, skład chemiczny i fazowy, analizę rozmieszczenia pierwiastków na przekroju poprzecznym powłok (tzw. mapping oraz profile liniowe), określenie struktury atomowej powłok, analizę m.in. parametrów optycznych, trwałości powłok, a także badania mikrobiologiczne określające skuteczność neutralizacji wytworzonych powłok względem wybranych patogennych szczepów grzybów i bakterii w różnych warunkach oświetleniowych (VIS, ciemność), w tym ich zdolność do oczyszczania powietrza z drobnoustrojów.
W projekcie wykonano również doświadczalne instalacje szklarniowe umożliwiające praktyczną ocenę wpływu zastosowania najskuteczniejszych pod względem bójczym warstw na jakość upraw szklarniowych pomidora w obecności fitopatogenów oraz wpływ na wyeliminowanie lub istotne ograniczenie stosowania fungicydów. Dodatkowo ze względu na zakładaną refleksyjność wytworzonych warstw względem bliskiej i średniej podczerwieni – oceniono wpływ ich zastosowania na ograniczenie kosztów ogrzewania obiektów szklarniowych.

Celem projektu było przeprowadzenie badań wyprzedzających do prac badawczych realizowanych we współpracy z Politechniką Śląską, WSK PZL Rzeszów oraz Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu. Materiał do badań stanowiły warstwy borowane oraz cienkie warstwy z grafenu otrzymane w wyniku współpracy z wyżej wymienionymi jednostkami. Osiągnięcie zaplanowanego celu pracy wymagało przeprowadzenia wysublimowanych badań strukturalnych z wykorzystaniem zaawansowanych technik skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, w tym obrazowania w trybie wysokorozdzielczym (HRTEM) oraz analizy z wykorzystaniem spektroskopii strat energii elektronów (EFTEM), przy użyciu nowoczesnego skaningowo transmisyjnego mikroskopu elektronowego S/TEM FEI TITAN 80-300. W celu przeprowadzenia analizy struktury atomowej grafenu mikroskop FEI TITAN 80-300 został przystosowany do specyficznych warunków pracy dla tego materiału, w tym napięcia przyspieszającego 120 kV.

Oferta wykorzystania
Podjęta tematyka badań wpisuje się najnowsze światowe trendy badań materiałów. W Zakładzie Badań Właściwości i Struktury Materiałów realizowane są prace z zakresu inżynierii powierzchni, których wyniki wykorzystywane są między innymi do weryfikacji procesów technologicznych otrzymywania powłok ochronnych stosowanych m.in. w przemyśle lotniczym. Realizacja prac z zakresu inżynierii powierzchni pozwoliła na podpisanie umów o współpracy i uczestnictwo Instytutu Metalurgii Żelaza w projektach badawczych INNOTECH i INNOLOT, co przełożyło się na wymierne korzyści finansowe. Jednocześnie stworzyło to możliwość przygotowania nowych wniosków na pozyskiwanie finansowania w ramach programów krajowych i europejskich.

W ramach pracy wykazano możliwości badań stali o strukturze wielofazowej z wykorzystaniem zaawansowanych metod badawczych, do których należy zaliczyć SEM FEG, EBSD i TEM. Metody te pozwalają w sposób kompleksowy tj. jakościowo i ilościowo scharakteryzować strukturę. W pracy opisano cechy struktury i zależności krystalograficzne poszczególnych składników stali wielofazowych. Szczegółowo opisano znaczenie parametrów wyznaczanych w analizie EBSD przydatnych w badaniach kinetyki procesów rekrystalizacji na przykładzie taśm walcowanych na zimno ze stali typu DP o różnych składach chemicznych. Wykazano również znaczenie transmisyjnej mikroskopii elektronowej w procesach odbudowy struktury taśm ze stali wielofazowych. Przedstawiono możliwości wykorzystania wyników badań z wykorzystaniem metody SEM FEG do opracowania nowoczesnych dyskretnych modeli mikrostruktury bazujących na idei cyfrowej reprezentacji materiału w oparciu o badania mikrostruktury.

Oferta wykorzystania
Praca pozwoliła na rozszerzenie możliwości badawczych Instytutu o badania stali wielofazowych za pomocą połączenia metod SEM FEG i EBSD a w szczególności wyznaczanych w analizie parametrów IQ, Cl, KAM, GOS i GAM. Metodyka ta znajdzie zastosowanie aplikacyjne w realizacji projektów badawczych.

Celem pracy była szczegółowa analiza zjawisk zachodzących w warstwie wierzchniej komponentów silników lotniczych oraz pomocniczych jednostek zasilających (APU – Auxiliary Power Unit) po testach hamowni realizowanych przez firmę PBS Velka Bites z Czech. Dotychczas Zakład Badań Właściwości i Struktury Materiałów realizuje we współpracy z firmą PBS prace badawcze nad stopami żarowytrzymałymi oraz nowymi rodzajami pokryć zwiększającymi ich trwałość podczas eksploatacji w wysokiej temperaturze. Tematyka prac badawczych realizowanych we współpracy z PBS Velka Bites jest szczególnie interesująca w kwestii zjawisk degradacji warstwy wierzchniej prawdziwych komponentów silników lotniczych eksploatowanych w realnych warunkach pracy, co wpisuje się w ogół zagadnień związanych z dziedziną inżynierii powierzchni, które realizowane są w zakładzie BL. Dlatego też zakres badań niniejszej pracy obejmował wykorzystanie wysokorozdzielczej skaningowo transmisyjnej mikroskopii elektronowej (S/TEM) do szczegółowej analizy procesów degradacji, w tym utleniania oraz przemian fazowych zachodzących w skali nano warstwy wierzchniej elementów z żarowytrzymałych nadstopów niklu z powłokami aluminidkowymi po testach na hamowni przy maksymalnych parametrach pracy turbin.

Oferta wykorzystania
Przeprowadzone badania posłużą lepszemu zrozumieniu zjawisk towarzyszących procesom eksploatacji komponentów silników lotniczych, takich jak łopatki wirników oraz statorów turbin oraz określeniu roli, jaką odgrywają w nich pokrycia ochronne. Zostaną one wykorzystane w realizacji prac badawczych z przemysłem lotniczym dotyczących rozwoju technologii wytwarzania powłok ochronnych.

W ramach pracy opracowano rozszerzoną metodykę badań połączeń metali obejmującą badania za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego wyposażonego w detektory EDS i WDS oraz analizator EBSD. W ramach pracy przeprowadzono badania połączeń spawanych, połączenia zgrzewanego punktowo oraz połączenia lutowanego. Zastosowanie mikroskopii skaningowej pozwala na pełny opis zmian zachodzących w strukturze i składzie chemicznym w obszarze połączenia dwóch metali.

Oferta wykorzystania
Opracowana rozszerzona metodyka badań połączeń dwóch metali będzie służyła podczas realizacji zleceń bezpośrednich z przemysłu.