Raziskovalni programi

Za izvajanje javne službe se na inštitutu oblikujejo programske skupine:
 

Raziskovalni program P2-0132 Fizika in kemija površin kovinskih materialov povezuje temeljne in aplikativne raziskave kovinskih materialov, njihovih površin ter kristalnih in faznih mej. Osrednji cilj programa je poglobljeno razumevanje povezav med kemijsko sestavo, mikrostrukturo, procesnimi pogoji in funkcionalnimi lastnostmi materialov ter prenos pridobljenega znanja v nove materiale, tehnologije in industrijske rešitve. Program obsega štiri medsebojno povezana področja: strukturiranje in funkcionalizacijo površin, raziskave procesov v trdnih zlitinah, napredne tehnologije sinteze kovinskih materialov ter inženirstvo površin.

Strukturiranje in funkcionalizacija površin

Pomemben del raziskav je namenjen nadzorovanemu spreminjanju površin kovinskih materialov z namenom izboljšanja njihovih tehnoloških lastnosti, funkcionalnosti in življenjske dobe. Raziskujemo jekla, aluminijeve in titanove zlitine ter napredne kovinske biomateriale. Z uporabo zaščitnih prevlek, nanodelcev, mehanskih postopkov in laserskega teksturiranja razvijamo površine z izboljšano korozijsko in obrabno odpornostjo ter prilagojenimi omočitvenimi lastnostmi. Raziskave vključujejo hibridne organske in anorganske prevleke z nanodelci, ki povečajo mehansko stabilnost, zmanjšajo poroznost prevlek in omejujejo širjenje razpok. Posebno pozornost namenjamo tudi okolju prijaznim protikorozijskim rešitvam, biološko razgradljivim inhibitorjem korozije in samoobnovitvenim zaščitnim sistemom. Lasersko teksturiranje omogoča natančno oblikovanje površin na mikro- in nanometrski ravni. S spreminjanjem hrapavosti in kemijske sestave površine lahko dosežemo različne stopnje omočljivosti, od superhidrofilnih do superhidrofobnih površin. Takšne rešitve so zanimive za samočistilne površine, preprečevanje nabiranja ledu, nadzor biološkega oprijema, mikrofluidiko in druge napredne aplikacije. Raziskujemo tudi površine s posebnimi funkcionalnimi lastnostmi, kot so gradienti omočljivosti in kombinacije hidrofilnih ter hidrofobnih območij. Uporabne so lahko za odvajanje vode v gorivnih celicah, brezkanalno mikrofluidiko, kemijsko sintezo in separacijske procese. V okviru tega področja razvijamo tudi nove katalitske materiale, med drugim na osnovi visokoentropijskih zlitin, ter okolju prijaznejše postopke pridobivanja kritičnih surovin iz odpadne elektronike in avtomobilskih katalizatorjev.

Biorazgradljivi in biokompatibilni kovinski materiali

Poseben sklop programa je namenjen razvoju kovinskih materialov za uporabo v medicini. Biorazgradljivi materiali imajo začasno podporno funkcijo, nato pa se v telesu postopoma razgradijo, zato so zanimivi za ortopedijo, pediatrijo in kardiovaskularno kirurgijo. Raziskave vključujejo zlitine na osnovi železa, magnezija in cinka. Z izbiro kemijske sestave, termomehansko obdelavo, tehnologijo izdelave in modifikacijo površine uravnavamo njihove mehanske lastnosti in hitrost razgradnje. Pri železovih zlitinah razvijamo predvsem sisteme Fe–Mn, pri katerih je cilj pospešiti sicer prepočasno degradacijo železa. Pri magnezijevih zlitinah pa z legiranjem in zaščitnimi površinskimi plastmi preprečujemo prehitro razgradnjo. Razvoj zajema tako klasične metalurške postopke kot tudi prašno metalurgijo, elektrodepozicijo, lasersko depozicijo in 3D-tisk. Pri trajnih implantatih raziskujemo titanove zlitine ter površinske modifikacije, ki izboljšajo vraščanje kostnega tkiva, omejujejo nastanek biofilma in zmanjšujejo tveganje aseptičnega omajanja implantatov.

Procesi na kristalnih in faznih mejah

Lastnosti kovinskih materialov so v veliki meri odvisne od njihove mikrostrukture ter procesov na kristalnih in faznih mejah. Raziskujemo deformacijo, gibanje dislokacij, dvojčenje, rekristalizacijo, fazne transformacije, mikrolegiranje in izločevalno utrjevanje. Ti procesi odločilno vplivajo na trdnost, žilavost, odpornost proti lezenju, utrujanju in koroziji. Z naprednimi metodami elektronske mikroskopije preučujemo material na ravni kristalnih zrn, dislokacij in atomov. Uporabljamo in situ opazovanje pri povišanih temperaturah, dvodimenzionalno in tridimenzionalno EBSD-analizo ter računalniško modeliranje z metodami molekularne dinamike. Raziskave zajemajo jekla, aluminijeve in titanove zlitine ter nikljeve superzlitine. Na področju mikrolegiranja proučujemo vpliv majhnih dodatkov bora, vanadija, titana, niobija, bakra in elementov redkih zemelj na strjevanje, razvoj mikrostrukture in mehanske lastnosti naprednih jekel. Pri izločevalno utrjenih materialih raziskujemo vpliv kemijske sestave, procesne zgodovine in obratovalnih pogojev na nastanek in stabilnost sekundarnih faz. Del raziskav je namenjen tudi samoobnovitvenim kovinskim materialom. Cilj je razviti mikrostrukture, v katerih bi se zaradi dinamičnega izločanja ali tvorbe oksidov lahko upočasnila oziroma zaustavila rast razpok. Takšni materiali bi lahko podaljšali življenjsko dobo komponent ter povečali njihovo varnost, zlasti pri uporabi pri povišanih temperaturah in cikličnih obremenitvah.

Napredne tehnologije sinteze in dodajna proizvodnja

Program vključuje razvoj novih načinov izdelave kovinskih materialov z zelo fino in nadzorovano mikrostrukturo. Raziskujemo postopke velikih plastičnih deformacij, hitro strjevanje, prašno metalurgijo in dodajno proizvodnjo oziroma 3D-tisk kovin. Dodajna proizvodnja omogoča izdelavo geometrijsko zahtevnih komponent z visokim izkoristkom materiala. Končne lastnosti izdelkov so močno odvisne od toplotne zgodovine, hitrosti segrevanja in ohlajanja, temperaturnih gradientov, lastnosti prahu, strategije vodenja laserja in debeline posameznega sloja. Zato sistematično raziskujemo vpliv procesnih parametrov na poroznost, notranje napetosti, kristalografsko teksturo, anizotropijo in mehanske lastnosti izdelkov. Poseben poudarek namenjamo razvoju novih materialov za 3D-tisk, vključno z visokoentropijskimi zlitinami, magnetnimi materiali, disperzijsko utrjenimi jekli in kovinskimi kompoziti z dodatkom keramičnih nanodelcev. Raziskujemo tudi biomimetično oblikovanje lahkih struktur, ki posnemajo učinkovite naravne principe gradnje materialov. Eksperimentalne raziskave dopolnjujemo z računalniškim modeliranjem prenosa toplote, strjevanja, nukleacije in rasti kristalnih zrn. Razviti modeli omogočajo napovedovanje mikrostrukture ter optimizacijo strategije vodenja laserja in drugih procesnih parametrov. S tem skrajšujemo razvojne cikle in omogočamo bolj zanesljiv prenos dodajnih tehnologij v industrijsko okolje.

Inženirstvo površin

Inženirstvo površin je usmerjeno v toplotne in kemotermične postopke, s katerimi izboljšujemo lastnosti površinskih plasti kovinskih materialov. Poseben poudarek namenjamo materialom, izdelanim z dodajnimi tehnologijami, saj imajo drugačno mikrostrukturo, porazdelitev napetosti in odziv na toplotno obdelavo kot konvencionalno izdelani materiali. Med ključne raziskovalne postopke sodi nitriranje v pulzirajoči plazmi. S tem postopkom na površini ustvarimo trdo nitridno plast, ki izboljša obrabno odpornost, trdoto in trajnost komponent. Raziskave zajemajo orodna in hitrorezna jekla, nerjavna in maraging jekla, titanove zlitine ter nikljeve superzlitine. Proučujemo tudi vpliv podhlajevanja v tekočem dušiku, vakuumske toplotne obdelave in kombiniranja nitriranja s trdimi zaščitnimi prevlekami.

Raziskovalne metode in sodelovanje z industrijo

Program temelji na povezovanju eksperimentalnega dela, napredne karakterizacije in računalniškega modeliranja. Uporabljamo svetlobno, vrstično in presevno elektronsko mikroskopijo, SEM, TEM, EDS, WDS, EBSD, XRD, XPS, FIB ter tridimenzionalne analize površin in mikrostruktur. Raziskave dopolnjujejo kemijska analitika, termodinamične meritve, mehansko in tribološko preskušanje, meritve lezenja ter modeliranje s programskimi orodji Thermo-Calc, DICTRA in JMatPro. Program združuje znanja s področij metalurgije, fizike, kemije, strojništva, biologije in medicine. Raziskave potekajo v sodelovanju s slovenskimi in tujimi raziskovalnimi ustanovami ter industrijskimi partnerji. Pridobljeno znanje se prenaša v metalurško, kovinskopredelovalno, orodjarsko, avtomobilsko, letalsko, energetsko in zdravstveno industrijo. Rezultati programa prispevajo k razvoju trajnejših, varnejših in energetsko učinkovitejših materialov, zmanjšanju porabe surovin in energije ter uvajanju naprednih proizvodnih tehnologij. Pomemben cilj programa je tudi usposabljanje mladih raziskovalcev, vključevanje v mednarodne raziskovalne povezave ter prenos znanja v nove proizvode, tehnološke rešitve in inovacije.

Vakuumska znanost in meroslovje za nove tehnologije: od napredne vakuumske toplotne izolacije do jedrske fuzije