Nova ODS jekla za uporabo v ekstremnih pogojih z uporabo ultrazvočno dispergiranih nano-oksidov s kombinacijo metod SLM in PPS

Akronim: NanoPowder
Številka projekta: N2-0276

prof. dr hab. inż. Jarosław Mizera
WARSAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
dr Jiri Kubasek
UNIVERSITY OF CHEMISTRY AND TECHNOLOGY, PRAGUE
prof. dr Matjaž Godec
INSTITUTE OF METALS AND TECHNOLOGY

Povzetek

Jekla, ojačana z oksidnimi delci (ODS), so znana zaradi svojih vrhunskih mehanskih lastnosti pri visokih temperaturah in povečane odpornosti na krhkost zaradi nevtronskega obsevanja, kar jim daje prednost za uporabo kot obloga goriva za jedrske sisteme naslednje generacije in materiale za fuzijsko energijo.

Znanstveni cilj projekta je preučiti, ali ultrazvočno oz. plinsko atomiziran jekleni prah ali jekleni prah s površinsko oksidacijo v kombinaciji z eno od dveh novih konsolidacijskih tehnik – selektivno lasersko taljenje (SLM) in impulzno plazemsko sintranje (PPS) – lahko daje jeklu ODS boljšo zmogljivost v izjemno težkih, visokotemperaturnih pogojih. Dobljene rezultate bomo primerjali s konvencionalno proizvedenim, mehansko legiranim prahom, ki bo narejen s sintranjem v plazmi z iskro (SPS). Trenutno najbolj zmogljiva jekla ODS imajo natezno trdnost do skoraj 800 MPa pri 600 °C v primerjavi z več kot 1200 MPa pri sobni temperaturi. Hiter padec stabilnosti, ko se materiali segrejejo, je mogoče zaslediti v neenakomerni porazdelitvi in strjevanju razpršenih oksidov v mikrostrukturi konsolidirane jeklene komponente. Naše izkušnje z jekli ODS nas učijo, da so končne lastnosti konsolidirane komponente tesno povezane s prahom in homogeno porazdeljenimi nanodelci. Prav zaradi tega se osredotočamo na nove načine proizvodnje prahov s tehnologijami, ki do sedaj niso bile na voljo. Potem, ko bo prah konsolidiran s SPS in PPS, bomo mikrostrukturne, korozijske in mehanske lastnosti povezali nazaj z lastnostmi prahov. Kot dokaz koncepta smo izbrali avstenitno nerjavno jeklo 316L, ki ima dobro duktilnost, obdelovalnost in mehansko obstojnost pri visoki temperaturi. Y2O3 je bil izbran kot nano material za dodajanje matriki, saj omogoča višjo končno natezno trdnost kot drugi prahovi in izboljša odpornost proti oksidaciji. Ko bo projekt napredoval in bodo znani mehanizmi krepitve, povezani z disperzijo nano oksida, bomo uporabili tudi nanodelce TiB2 (z višjim tališčem).

V okviru realizacije projekta želimo preveriti naslednje hipoteze:

1. Uporaba ultrazvoka med procesom atomizacije prahu bo vodila do povečane disperzije in zmanjšane aglomeracije Y2O3 in TiB2 v staljenem v jeklu med procesom atomizacije prahu, za pridobitev vhodnega materiala.

2. Površine plinsko atomiziranih prahov, se lahko delno oksidirajo tako, da kasnejša konsolidacija vodi do mikrostrukture z visoko razpršenimi oksidnimi precipitati.

3. Ponovno taljenje in/ali delno taljenje prahu med konsolidacijo s SLM in PPS vodi do mikrostrukturnih sprememb v primerjavi s vhodnim materialom in do prerazporeditve precipitatov ter spremembe mikrostrukture.

4. Kombinacija atomizacije prahu s pomočjo ultrazvoka in SLM in/ali PPS lahko proizvede jeklo ODS, ki deluje bolje v ekstremnih pogojih v primerjavi s konvencionalno proizvedenimi komponentami.

Da bi pristopili k temu, je predlagani projekt razdeljen na 5 delovnih paketov, in sicer: WP1 Priprava prahu, WP2 Konsolidacija komponent, WP3 Karakterizacija prahov ter mehanskih in korozijskih lastnosti komponent, WP4 Vodenje projekta in WP5 Razširjanje, komunikacija, in izkoriščanje.

Predlagani raziskovalni projekt je s temeljnega raziskovalnega vidika izjemno pomemben, saj bo prinesel veliko boljše temeljno razumevanje parametrov, ki vplivajo na izdelavo jekel ODS p0oi postopku metalurgije prahov. SLM je proces, ki nam bo omogočil ponovno taljenje surovin v prahu, izgradnjo geometrijske strukture, med katero bosta hitro taljenje in strjevanje poskrbela, da se bodo pojavili precipitati. Verjamemo, da bo zaradi lokalnega mešanja taline in kasnejšega hitrega strjevanja nastala zelo homogena porazdelitev oksidov. Poleg tega bomo izvedeli še veliko več o izdelavi enotnih mikrostruktur s SPS in PPS.