L2-7599 Nova generacija jekel za energetiko z nano-delci modificirano mikrostrukturo in povečano odpornostjo na lezenje

 

Z razvojem jekel s povečano vsebnostjo kroma je bil že v 50-h letih prejšnjega stoletja narejen izreden napredek na področju odpornosti jekel proti deformaciji z lezenjem in s tem omogočeno delovanje termoelektrarn pri temperaturah do 600°C. Pri tem je učinkovitost termoenergetskih postrojenj v direktni povezavi s temperaturo in tlakom pare, kjer že minimalen dvig temperature pomeni znaten prihranek energije ter manjše obremenjevanje okolja s CO2 izpustom. Tako zahteve po povečanju učinkovitosti in temperaturni obstojnosti komponent ter izredno kompleksna narava vpliva vrste, vsebnosti in kombinacije legirnih elementov na mikrostrukturo jekla, neprestano diktirajo modifikacijo, optimizacijo in seveda razvoj novih vrst jekel odpornih na deformacijo z lezenjem.

Ena možnost izboljšanja odpornosti feritno-martenzitnih jekel na lezenje je z dodajanjem ustreznih legirnih elementov, kot sta V in Nb. Druga možnost je v utrditvi feritnih jekel z nano-oksidnimi delci, kot so TiO2 in Y2O3, ki pa zahteva drago in kompleksno izdelavo po metalurgiji prahov. Alternativa je direktno dodajanje nano-delcev v talino, ki pa je, zaradi slabe omočljivosti, skepljanja delcev in topnosti ogljika v jeklu zelo omejena. Rešitev tega problema se kaže v uporabi plazme, ki omogoča spreminjanje površinske energije površine.

Cilj projekta je raziskati možnosti direktnega legiranja jekla z nano-delci in razviti jeklo odporno na deformacijo z lezenjem pri temperaturah preko 650°C. Osnovna ideja je vplivati na lastnosti jekla z modifikacijo mikrostrukture na nanonivoju, kar naj bi dosegli s spremembo in optimizacijo vrste in vsebnosti legirnih elementov, izpopolnitvijo termomehanske in toplotne obdelave, predvsem pa z modifikacijo površine nano-delcev s plazmo ter uspešnim direktnim dodajanjem le-teh v talino. Ob izboljšanju odpornosti na deformacijo z lezenjem nano-modifikacija mikrostrukture naj ne bi vplivala na poslabšanje mehanskih in korozijskih lastnosti jekla.
 

Projekt je financiran s strani ARRS z 2774 letnimi urami cenovnega razreda C, ter v višini 25% sofinanciran s strani podjetja Metal Ravne d.o.o. (www.metalravne.com/si/): 1. 3. 2016 – 28. 2. 2019.

Člani projektne skupine:

Letni obseg ur	Raziskovalna organizacija	Raziskovalci
2174	Inštitut za kovinske materiale in tehnologije		Bojan Podgornik	Matjaž Torkar	Franc Tehovnik	Jaka Burja	Franci Vode	Marko Sedlaček	Borut Žužek	Ana Kračun	Božidar Šarler	Aleksandra Kocijan	Irena Paulin	Darja Jenko
600	Institut »Jožef Stefan«		Janez Trtnik	Uroš Cvelbar	Rok Zaplotnik	Gregor Filipič

Upravljanje projekta:
 

Trajanje

1. leto

2. leto

3. leto

Delovni sklop

1-3

4-6

7-9

10-12

13-15

16-18

19-21

22-24

25-27

28-30

31-33

33-36

DS1

Termodinamska analiza

DS2

Optimizacija sestave

DS3

Legiranje z nanodelci

DS4

Termomehanska predelava

DS5

Toplotna obdelava

DS6

Odpornost na lezenje

DS7

Mikrostrukturna analiza

DS8

Mehanske in korozijske lastnosti

DS9

Eksperimentalna šarža

 

V prvi fazi prijekta (1.3.-31.12.2016) so bili doseženi naslednji cilji:

D 1.1.  Vpliv koncentracije in tipa legirnih elementov na izločanje termodinamsko stabilnih faz

D 1.2.  Določitev območij izločanja in raztapljanja posameznih faz z identifikacijo visoko-temperaturno stabilnih faz

D 1.3.  Določitev ključnih legirnih elementov in modifikacije sestave z največjim potencialom povečanja odpornosti na lezenje

D 1.4.  Določitev stabilnosti nano-delcev v talini

D 1.6. Izbor tipa nano-delcev primernih za direktno dodajanje v talino

D 2.2.  Izdelava laboratorijskih šarž z modificirano sestavo – jekla z 9-10% Cr

D 3.2.  Vpliv metode dodajanja v talino na uspešnost vgrajevanja nano-delcev v mikrostrukturo jekla

D 3.3. Vpliv velikosti in koncentracije nano-delcev na uspešnost vgrajevanja v mikrostrukturo

D 4.1.  Izvedba standardne termomehanske predelave laboratorijskih šarž jekel z modificirano sestavo

D 5.1.  Izvedba standardne toplotne obdelave laboratorijskih šarž jekel z modificirano sestavo

D 5.3. Določitev vpliva temperature popuščanja na razvoj mikrostrukture 

D 7.1.  Vpliv modifikacije sestave na izhodno mikrostrukturo

D 7.6.  Razvoj mikrostrukture po toplotni obdelavi

 

V drugi fazi prijekta (1.1.2017-28.2.2018) so bili doseženi naslednji cilji:

D 1.5.  Vpliv nano-delcev na nastajanje termodinamsko stabilnih faz

D 2.1.  Izdelava laboratorijskih šarž z modificirano sestavo – jekla z 11-12% Cr

D 2.3.  Priprava vzorcev za nadalnje raziskave (vpliv termomehanske predelave, vpliv toplotne obdelave, eksperiemnti lezenja)

D 3.1. Vpliv modifikacije površine nano-delcev s plazmo na omočljivost in skepljanje

D 3.3. Vpliv tipa, velikosti in koncentracije nano-delcev na uspešnost vgrajevanja v mikrostrukturo

D 3.4. Izdelava laboratorijskih šarž z nano-delci legiranih jekel

D 3.5. Priprava vzorcev za nadalnje raziskave (vpliv termomehanske predelave, vpliv toplotne obdelave, eksperimenti lezenja)

D 4.1.  Izvedba standardne termomehanske predelave laboratorijskih šarž jekel z dodanimi nano-delci

D 5.2. Izvedba standardne toplotne obdelave laboratorijskih šarž jekel z dodanimi nano-delci

D 5.3. Določitev vpliva temperature popuščanja na razvoj mikrostrukture 

D 6.1. Določitev natezne trdnosti izdelanih laboratorijskih šarž jekla pri povišanih temperaturah

D 7.2.  Površinske lastnosti plazemsko modificiranih nano-delcev

D 7.3.  Vpliv tipa, velikosti in koncentracije nano-delcev na izhodno mikrostrukturo

D 7.4.  Razvoj mikrostrukture po termomehanski predelavi

D 9.1.  Izdelava dveh eksperimentalnih industrijskih šarž jekla za energetiko

 

 

V tretji fazi prijekta (1.3.2018-28.2.2019) so bili doseženi naslednji cilji:

D 1.5.  Vpliv nano-delcev na nastajanje termodinamsko stabilnih faz

D 3.4.  Izdelava laboratorijskih šarž z nano-delci legiranih jekel

D 4.2.  Izvedba standardne termomehanske predelave laboratorijskih šarž jekel z dodanimi nano-delci

D 4.3.  Določitev vpliva parametrov termodinamske predelave na razvoj mikrostrukture

D 6.2.  Identifikacija primarnega, sekundarnega in terciarnega področja lezenja

D 6.3.  Vpliv nano-modifikacije mikrostrukture na odpornosti na deformacijo z lezenjem

D 6.4.  Izračun aktivacijske energije 

D 6.5.  Določitev laboratorijskih šarž sposobnih delovati pri temperaturah višjih od 600°C

D 7.3.  Vpliv tipa, velikosti in koncentracije nano-delcev na izhodno mikrostrukturo

D 7.8.  Razvoj mikrostrukture in stabilnost faz med procesom lezenja

D 8.1.  Lomna žilavost laboratorijskih šarž jekel z izboljšano odpornostjo na lezenje

D 8.2.  Določitev temperature prehoda v krhko stanje laboratorijskih šarž jekel z izboljšano odpornostjo na lezenje 

D 8.3.  Identifikacija mehanizmov ojačitve nano-modificirane mikrostrukture dejavnih pri nizkih in visokih temperaturah

D 8.4.  Vpliv modifikacije sestave in dodatka nano-delcev na obrabno odpornost

D 8.5.  Izbor eksperimentalnega jekla z modificirano sestavo in z dodanimi nano-delci, ki ob izboljšani odpornosti na lezenje ohranjata čim boljše mehanske in protiobrabne lastnosti

D 9.2.  Določitev odpornosti na deformacijo z lezenjem in protiobrabne odpornosti 

D 9.3.  Primerjava lastnosti referenčnimi jekli

 

 

Bibliografija: 

Znanstveni članki:

1. KRAČUN, Ana, JENKO, Darja, GODEC, Matjaž, SAVILOV, S. V., PRIETO, G., TUCKART, Walter, PODGORNIK, Bojan. Nanoparticles reinforcement for the improved strength and high-temperature wear resistance of Mn-Cr steel. Metallurgical and materials transactions. A, Physical metallurgy and materials science, ISSN 1073-5623, Nov 2018, vol. 49, iss. 11, str. [5683-5694], ilustr. http://link.springer.com/article/10.1007/S11661-018-4833-7, doi: 10.1007/s11661-018-4833-7. [COBISS.SI-ID 1414570]
2. BAZAKA, Kateryna, BARANOV, Oleg B., CVELBAR, Uroš, PODGORNIK, Bojan, WANG, Y., HUANG, S., XU, L., LIM, J. W. M., LEVCHENKO, Igor, XU, S. Oxygen plasmas : a sharp chisel and handy trowel for nanofabrication. Nanoscale, ISSN 2040-3364, [in press] 2018, 18 str., doi: 10.1039/C8NR06502K. [COBISS.SI-ID 31694375] ŽUŽEK, Borut, KAFEXHIU, Fevzi, PODGORNIK, Bojan, VODOPIVEC, Franc. Effects of carbides size and distribution on creep rate. Metalurgija, ISSN 0543-5846, 2017, vol. 56, no. 3/4, str. 323-325, ilustr. http://hrcak.srce.hr/180973. [COBISS.SI-ID 1312682]
3. PODGORNIK, Bojan, TEHOVNIK, Franc, BURJA, Jaka, SENČIČ, Bojan. Effect of modifying the chemical composition on the properties of spring steel. Metallurgical and materials transactions. A, Physical metallurgy and materials science, ISSN 1073-5623, Aug 2018, vol. 49, iss. 8, str. [3283-3292], graf. prikazi. https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11661-018-4713-1, doi: 10.1007/s11661-018-4713-1. [COBISS.SI-ID 1402538]
4. KRAČUN, Ana, PODGORNIK, Bojan, TEHOVNIK, Franc, KAFEXHIU, Fevzi, JENKO, Darja. Distribution of Al2O3 reinforcement particles in austenitic stainless steel depending on their size and concentration = Porazdelitev delcev Al2O3 v avstenitnem nerjavnem jeklu v odvisnosti od velikosti in koncentracije. Materiali in tehnologije, ISSN 1580-2949. [Tiskana izd.], 2017, vol. 51, no. 6, str. 973-980, ilustr. http://mit.imt.si/Revija/izvodi/mit176/kracun.pdf, doi: 10.17222/mit.2017.042. [COBISS.SI-ID 1370538]
5. KAFEXHIU, Fevzi, VODOPIVEC, Franc, PODGORNIK, Bojan. Analysis of primary creep in simulated heat affected zone (HAZ) of two 9 - 12 % Cr steel grades. Metalurgija, ISSN 0543-5846, 2017, vol. 56, no. 3/4, str. 353-356, ilustr. http://hrcak.srce.hr/180981. [COBISS.SI-ID 1312938]
6. VODOPIVEC, Franc, KAFEXHIU, Fevzi, ŽUŽEK, Borut, PODGORNIK, Bojan. Glide stress by stationary creep of tempered martensite with polyhedral particles. Steel research international, ISSN 1869-344X, 2017, no. 3, vol. 88, str. 1-5, ilustr. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/srin.201600200/abstract;jsessionid=2B6CDBC86BB21FDBE3D17BE38E70B1C8.f01t03, doi: 10.1002/srin.201600200. [COBISS.SI-ID 1248938]
7. VELKAVRH, Igor, KAFEXHIU, Fevzi, KLIEN, Stefan, DIEM, Alexander, PODGORNIK, Bojan. Tempering-induced microstructural changes in the weld heat-affected zone of 9 to 12 Pct Cr steels and their influence on sliding wear. Metallurgical and materials transactions. A, Physical metallurgy and materials science, ISSN 1073-5623, Jan. 2017, vol. 48, iss. 1, str. 109-125, ilustr. https://link.springer.com/article/10.1007/s11661-016-3830-y, doi: 10.1007/s11661-016-3830-y. [COBISS.SI-ID 1289130]
8. ARH, Boštjan, PODGORNIK, Bojan, BURJA, Jaka. Electroslag remelting: a process overview = Elektropretaljevanje pod žlindro - pregled procesa. Materiali in tehnologije, ISSN 1580-2949. [Tiskana izd.], 2016, letn. 50, št. 6, str. 971-979, ilustr. http://mit.imt.si/Revija/izvodi/mit166/arh.pdf, doi: 10.17222/mit.201108. [COBISS.SI-ID 1274282]
9. KRAČUN, Ana, TORKAR, Matjaž, BURJA, Jaka, PODGORNIK, Bojan. Microscopic characterization and particle distribution in a cast steel matrix composite = Mikroskopska karakterizacija in razporeditev delcev v kompozitu z matrico litega jekla. Materiali in tehnologije, ISSN 1580-2949. [Tiskana izd.], 2016, letn. 50, št. 3, str. 451-454, ilustr. http://mit.imt.si/Revija/izvodi/mit163/kracun.pdf, doi: 10.17222/mit.2015.310. [COBISS.SI-ID 1213610]

 

Predstavitve na konferencah:

1. PODGORNIK, Bojan, SEDLAČEK, Marko, KRAČUN, Ana, CVELBAR, Uroš, PRIETO, German, TUCKART, Walter. Sliding and erosive wear resistance of nano-particles alloyed high-strength steel at room and elevated temperature. 4^thWorkshop on High Temperature Tribology, 12-14. March, Lulea, Sweden.
2. PODGORNIK, Bojan, KRAČUN, Ana, SEDLAČEK, Marko, CVELBAR, Uroš, TUCKART, Walter. Use of nano-particles and plasma surface activation in improving mechanical, fatigue and wear properties of steel. International Workshop on Plasma-Tailored Nanostructures and Applications, 14-17. January 2019, Rogla, Slovenia
3. PODGORNIK, Bojan, KRAČUN, Ana, SEDLAČEK, Marko, PRIETO, German, TUCKART, Walter. High-temperature wear performance of nano-particles alloyed Mn-Cr steel. V: NORDTRIB 2018 : collection of extended abstracts, 18th Nordic Symposium on Tribology, 18-21 June 2018, Uppsala University, Uppsala, Sweden. [Uppsala: University. 2018], str. [63-64]. [COBISS.SI-ID 1440682]
4. KRAČUN, Ana, TEHOVNIK, Franc, KAFEXHIU, Fevzi, PODGORNIK, Bojan. Manufacturing of steel matrix composites reinforced with nano-particles. V: GODEC, Matjaž (ur.), et al. Program in knjiga povzetkov = Program and book of abstracts, 26. Mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah, 3.-5. oktober 2018, Portorož, Slovenija = 26th International Conference on Materials and Technology, 3-5 October 2018, Portorož, Slovenia. Ljubljana: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije. 2018, str. 78. http://mit.imt.si/Revija/izvodi/mit184/BookOfAbstracts_26ICM&T.pdf. [COBISS.SI-ID 1435050]
5. KRAČUN, Ana, TEHOVNIK, Franc, KAFEXHIU, Fevzi, KOSEC, Tadeja, JENKO, Darja, PODGORNIK, Bojan. Stainless steel matrix composites reinforced with ceramic particles through ingot casting process. MATEC web of conferences, ISSN 2261-236X. [Online ed.], 2018, vol. 188, [8] str., graf. prikazi. https://www.matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2018/47/matecconf_iceaf-v2018_01023.pdf, doi: 10.1051/matecconf/201818801023. [COBISS.SI-ID 1423274]
6. PODGORNIK, Bojan. Materiali kot gradniki razvoja tehnologije in družbe = Materials, necessity for the technology and society advancement. V: FINK GRUBAČEVIĆ, Iris (ur.), URŠIČ, Urška (ur.). Priložnosti, potenciali, izzivi : zbornik povzetkov = Opportunities, potentials, challenges : conference proceedings abstracts. Novo mesto: Fakulteta za industrijski inženiring: = Faculty of Industrial Engineering. 2018, str. 26-28. [COBISS.SI-ID 1393322]
7. KAFEXHIU, Fevzi, PODGORNIK, Bojan, VODOPIVEC, Franc. Ageing effect on the creep performance of simulated weld HAZ for the steels X20 and P91. MATEC web of conferences, ISSN 2261-236X. [Online ed.], 2018, vol. 188, [8] str. uhttp://www.matec-conferences.org/, doi: 10.1051/matecconf/201818803004. [COBISS.SI-ID 1450154]
8. TEHOVNIK, Franc, ARH, Boštjan, VODE, Franci, MALEJ, Simon, BURJA, Jaka. Influence of the annealing temperature on the mechanical properties of the superaustenitic stainless steel UHB 904L. V: GODEC, Matjaž (ur.), et al. Program in knjiga povzetkov = Program and book of abstracts, 26. Mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah, 3.-5. oktober 2018, Portorož, Slovenija = 26th International Conference on Materials and Technology, 3-5 October 2018, Portorož, Slovenia. Ljubljana: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije. 2018, str. 129. http://mit.imt.si/Revija/izvodi/mit184/BookOfAbstracts_26ICM&T.pdf. [COBISS.SI-ID 1459882]
9. PODGORNIK, Bojan, KRAČUN, Ana, JENKO, Darja, PRIETO, G., TUCKART, Walter. Fatigue and wear properties of nano-particles alloyed steels. V: Proceedings : TRIBaires2017. Buenos Aires: Asociación Argentina de Tribología. 2017, [5] str., ilustr. [COBISS.SI-ID 1317290]
10. KRAČUN, Ana, TEHOVNIK, Franc, KAFEXHIU, Fevzi, KOSEC, Tadeja, JENKO, Darja, PODGORNIK, Bojan. Stainless steel matrix composites reinforced with ceramic particles through ingot casting process. MATEC web of conferences, ISSN 2261-236X. [Online ed.], 2018, vol. 188, [8] str., graf. prikazi. https://www.matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2018/47/matecconf_iceaf-v2018_01023.pdf, doi: 1051/matecconf/201818801023. [COBISS.SI-ID 1423274] 
11. KRAČUN, Ana, TEHOVNIK, Franc, KAFEXHIU, Fevzi, KOSEC, Tadeja, PODGORNIK, Bojan. Effect of Al2O3 nano-particles on the tribological properties of stainless steel. V: GODEC, Matjaž (ur.), et al. Program in knjiga povzetkov = Program and book of abstracts, 25. mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah, 16.-19. oktober 2017, Portorož, Slovenija = 25th International Conference on Materials and Technology, 16-19 October 2017, Portorož, Slovenia. Ljubljana: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije. 2017, str. 107. http://icmt25.com/e_files/content/Preliminary_BookOfAbstracts_25ICM&T.pdf. [COBISS.SI-ID 2333799] 
12. ŽUŽEK, Borut, PODGORNIK, Bojan, KAFEXHIU, Fevzi. Development of microstructure and creep resistance of a martensitic creep resistant steel. International journal of microstructure and materials properties, ISSN 1741-8410, 2017, no. 3/4, vol. 12, str. 301-309, ilustr. http://www.inderscience.com/offer.php?id=91118, doi: 10.1504/IJMMP.2017.10012171. [COBISS.SI-ID 1391786] 
13. TEHOVNIK, Franc, BURJA, Jaka, VODE, Franci. Hot tensile tests and phase transformations in 2101 lean duplex stainless steel. V: ESSC & DUPLEX 2017, 9th European Stainless Steel Conference - Science & Market & 5th European Duplex Stainless Steel Conference & Exhibition, Bergamo, Italy, 25-27 May 2017. Bergamo: AIM - Assiciazione Italiana di Metallurgia. 2017, ilustr. [COBISS.SI-ID 1315498]
14. PODGORNIK, Bojan, KRAČUN, Ana, GODEC, Matjaž, SAVILOV, S.V., TUCKART, W. Altering steel properties by alloying with carbon nanotubes and nanoparticles. V: Book of abstracts - Advances in Materials and Processing Technologies Conference. Kuala Lumpur: University Malaysia, 2016.
15. ŽUŽEK, Borut, PODGORNIK, Bojan, KAFEXHIU, Fevzi. Influence of heat treatment on microstructure and creep resistance of a martensitic creep resistant steel. V: LESKOVŠEK, Vojteh (ur.), et al. Proceedings of the 3th Mediterranean Conference on Heat Treatment and Surface Engineering. Ljubljana: Slovenian Society for Heat Treatment: Institute of Metals and Technology, 2016, str. 48-55, ilustr. [COBISS.SI-ID 1249450]
16. KRAČUN, Ana, TEHOVNIK, Franc, KAFEXHIU, Fevzi, PODGORNIK, Bojan. Influence of concentration and size of Al2O3 particles on their distribution in reinforced austenitic stainless steel. V: PAVLIN, Majda (ur.), et al. Zbornik : 1. del = Proceedings : part 1. Ljubljana: Mednarodna podiplomska šola Jožefa Stefana, 2016, str. 238-247, ilustr. http://ipssc.mps.si/2016/Proceedings8_IPSSC_2016_Part1.pdf. [COBISS.SI-ID 1210282]
17. ŽUŽEK, Borut, KAFEXHIU, Fevzi, PODGORNIK, Bojan. Effect of carbide size and distribution on the creep rate. Metalurgija, ISSN 0543-5846, 12th International Symposium of Croatian Metallurgical Society SHMD' 2016, Srpanj/Rujan 2016, vol. 55, br. 3, str. 554. [COBISS.SI-ID 1242282]
18. KAFEXHIU, Fevzi, VODOPIVEC, Franc, ŽUŽEK, Borut, PODGORNIK, Bojan. Primary creep analysis of simulated HAZ in 9-12% Cr steels. Metalurgija, ISSN 0543-5846, 12th International Symposium of Croatian Metallurgical Society SHMD' 2016, Srpanj/Rujan 2016, vol. 55, br. 3, str. 554. [COBISS.SI-ID 1241514]
19. KAFEXHIU, Fevzi, VELKAVRH, Igor, PODGORNIK, Bojan. Sliding Wear in Simulated Heat Affected Zone of Two 9-12% Cr Steels as a Function of Short-term Ageing. V: GODEC, Matjaž (ur.), et al. Program in knjiga povzetkov = Program and book of abstracts, 24. mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah, 28.-30. september 2016, Portorož = 24th International Conference on Materials and Technology, 28-30 September 2016, Portorož, Slovenia. Ljubljana: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, 2016, str. 101. http://icmt24.com/e_files/content/Book%20of%20Abstracts.pdf. [COBISS.SI-ID 1268394]
20. KRAČUN, Ana, TEHOVNIK, Franc, KAFEXHIU, Fevzi, PODGORNIK, Bojan. Distribution of Al[sub]2O[sub]3 Reinforcement Particles in Austenitic Stainless Steel Depending on Their Size and Concentration. V: GODEC, Matjaž (ur.), et al. Program in knjiga povzetkov = Program and book of abstracts, 24. mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah, 28.-30. september 2016, Portorož = 24th International Conference on Materials and Technology, 28-30 September 2016, Portorož, Slovenia. Ljubljana: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, 2016, str. 122. http://icmt24.com/e_files/content/Book%20of%20Abstracts.pdf. [COBISS.SI-ID 1266858]