UltraCer: Innowacyjne targety PVD dla ultrawysokotopliwych powłok ceramicznych, spiekane reakcyjnie metodą SPS
UltraCer project: Innovative PVD targets for ultra high temperature ceramic coatings, reactive sintered using the SPS method
wprowadzenie
Współczesne kompozyty ceramiczne znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu o znaczeniu strategicznym, takich jak przemysł zbrojeniowy, lotniczy, energetyka jądrowa, czy eksploracja przestrzeni kosmicznej. Swój gwałtowny rozwój zawdzięczają przede wszystkim koniecznością wydłużenia czasu eksploatacji części maszyn narażonych na wysokie temperatury, oddziaływania środowiska korozyjnego i inne agresywne warunki. Z tych powodów ciągle poszukuje się nowych, efektywnych technologii wytwarzania i ekstremalnie odpornych materiałów.
Najważniejsze właściwości konstrukcyjnego tworzywa żaroodpornego to wysoka temperatura topnienia, mała prężność par, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, duża przewodność cieplna, duża udarność, odporność na pełzanie oraz odporność chemiczna. Nie jest znany materiał spełniający wszystkie te kryteria, gdyż właściwości mechaniczne i odporność na korozję większości materiałów obniżają się w znacznym stopniu wraz z podwyższaniem temperatury.
W ostatnich latach obserwuje się duże zainteresowanie wysokotopliwymi materiałami ceramicznymi. Ta grupa materiałów określana jest skrótem UHTC (ang. Ultra High Temperature Ceramics). Należą do niej borki, węgliki oraz azotki metali z grup IVB, VB, VIB układu okresowego, z czego najbardziej popularnymi są TiB2, ZrB2, HfB2, TiC, ZrC. Specyficzną cechą tych materiałów jest to, że wykazują właściwości typowe dla ceramiki jak duża twardość, odporność chemiczna i odporność na ścieranie jak i charakterystyczne dla metali: przewodnictwo elektryczne i cieplne.
Ceramika ultra-wysokotemperatura UHTC bazuje na związkach o silnych wiązaniach kowalencyjnych między metalem przejściowym a borem (B), węglem (C) lub azotem (N2) dających w rezultacie tworzywa o bardzo wysokiej twardości, wytrzymałości i temperaturze topnienia. Należy jednak zaznaczyć, że komercyjne stosowanie litych detali z ceramiki UHTC w przemyśle lotniczym, kosmicznym czy zbrojeniowym jest problematyczne ze względu na wysoką gęstość tych tworzyw, sięgającą nawet 15 g/cm3 . Jedną z obecnie oferowanych form materiałów UHTC na rynku światowym są targety do napylania, wykorzystywane w procesach nanoszenia powłok.
W ramach projektu pracujemy nad opracowaniem technologii wytwarzania spieków ceramicznych o osnowie HfB2, HfC, TaB2, TaC oraz kompozytu wysokoentropowego HE-UHTC składającego się z faz z układu Ta-Hf-B-C. Wysokotopliwe fazy UHTC wytwarza się zazwyczaj kilkuetapowo. Proszek otrzymany w pierwszym etapie, musi podlegać procesom mielenia i rozdrabniania. W dalszej kolejności w ramach kolejnych etapów przeprowadza się proces konsolidacji. Z uwagi na koszt prekursorów syntez (Ta, Hf, B, C) w stosunku do proszków faz borkowych i węglikowych otrzymywanie materiałów TaB2, HfB2, TaC, HfC metodą reakcyjną jest uzasadnione ekonomicznie. Łączny koszt substratów do planowanych reakcji jest zawsze kilkukrotnie niższy w stosunku do kosztu zakupu gotowych faz węglikowych, czy borkowych. Dodatkowo proszki materiałów UHTC nie są tak powszechnie dostępne jak proszki metali. Zastosowanie procesu spiekania reakcyjnego SPS, w trakcie którego występuje zarówno synteza jak i zagęszczenie produktów reakcji pozwala na obniżenie kosztów oraz czasochłonności wytwarzania.
cel projektu
Projekt dotyczy opracowania technologii wytwarzania materiałów z grupy UHTC, które pozwolą na uzyskanie litych, twardych oraz wysokotopliwych materiałów o pożądanym składzie fazowym i drobnoziarnistej mikrostrukturze. Materiały powstaną na drodze spiekania reakcyjnego prekursorów metodą SPS (ang. Spark Plasma Sintering). Opracowane technologie umożliwią otrzymywanie konkurencyjnych, polskich produktów w postaci 5 gatunków targetów PVD o składach:
- dwuborku hafnu- HfB2,
- węglika hafnu- HfC,
- dwuborku tantalu- TaB2,
- węglika tantalu- TaC
- kompozytu HEC z układu Ta-Hf-B-C
Zespół Badawczy
Dr inż. Jolanta Laszkiewicz-Łukasik - kierownik projektu
Główny Specjalista ds. Badawczych w Łukasiewicz – KIT
Posiada 15-sto letnie doświadczenie z zakresu wytwarzania materiałów ceramicznych, w tym metodami Spark Plasma Sintering, spiekania swobodnego, mikrofalowego oraz wysokociśnieniowego HPHT. Prowadzone badania dotyczą głównie ceramiki UHTC np. TaB2, TiB2, ZrB2, TaC, ale także Si3N4, SiC, Al2O3 i ich kompozytów oraz materiałów supertwardych na bazie diamentu i regularnego azotku boru. Specjalista i operator skaningowego mikroskopu elektronowego JEOL 6460LV z spektrometrami EDS i WDS oraz systemem EBSD i modułem niskiej próżni. Jako pracownik laboratorium akredytowanego posiada uprawnienia do autoryzacji i wykonywania akredytowanych usług w zakresie morfologii i mikrostruktury materiałów przy pomocy SEM, a także pomiarów twardości metodami Vickersa i Rockwella. Wykonuje badania właściwości materiałów: gęstości pozornej i nasiąkliwości, modułu Younga, współczynnika Poissona, odporności na pękanie, odporności temperaturowej metodą płomieniową.
Ściśle współpracuje z przemysłem w zakresie rozwiązywania problemów materiałowych i obróbkowych. Z dotychczasowej działalności powstały liczne wdrożenia elementów ceramicznych.
Jest autorką i współautorką kilkudziesięciu publikacji naukowych, patentów i zgłoszeń patentowych oraz laureatką licznych nagród.
Dr inż. Marcin podsiadło
Specjalista ds. badawczych w Łukasiewicz – Krakowskim Instytucie Technologicznym.
Posiada 20-sto letnie doświadczenie z zakresu projektowania i wytwarzania materiałów ceramicznych, kompozytów metaliczno-ceramicznych metodami spiekania swobodnego, mikrofalowego, SPS/FAST oraz wysokociśnieniowego HP-HT. Prowadzone badania dotyczą ceramiki tlenkowej, ceramiki mieszanej, ceramiki azotkowej, ceramiki węglikowej oraz materiałów supertwardych. Specjalista i główny użytkownik urządzeń do przygotowywania mieszanek, pras, urządzeń do spiekania.
Specjalista w obsłudze urządzeń do preparatyki próbek, urządzeń do pomiaru właściwości fizycznych i mechanicznych. Wykonuje badania właściwości materiałów: gęstości pozornej i nasiąkliwości, modułu Younga, współczynnika Poissona, odporności na pękanie, odporności temperaturowej metodą Torch Test Rig i odporności na szoki cieplne.
Ściśle współpracuje z przemysłem w zakresie rozwiązywania problemów materiałowych i obróbkowych. Z dotychczasowej działalności powstały liczne wdrożenia.
Dr inż. Aneta Łętocha
Starszy specjalista ds. badawczych w Łukasiewicz – Krakowskim Instytucie Technologicznym.
Głównym obszarem jej działalności zawodowej są badania struktury geometrycznej powierzchni obejmujące pomiary chropowatości, falistości oraz błędów kształtu powierzchni z zastosowaniem stykowych i optycznych metod pomiaru, a także analiza dokładności wymiarowo – kształtowej. Realizuje pomiary geometryczne elementów komory HPHT. Posiada 13-letnie doświadczenie w zakresie badań topografii powierzchni. Zajmuje się także badaniami właściwości materiałów, w tym badaniami tribologicznymi. Jest członkiem komitetów normalizacyjnych ISO „Areal and profile surface texture” oraz „GPS extraction and filtration techniques”, a także PKN „Podstaw budowy maszyn” i „Obróbki ubytkowej i przyrostowej oraz charakterystyki warstwy wierzchniej”. Brała udział w wielu projektach badawczych, w tym w ramach Programu Badań Stosowanych NCBiR, Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, programów LIDER, M-ERA.NET. Współautorka 15 artykułów naukowych.
mgr inż. Kinga Momot
Specjalista ds. badawczych w Łukasiewicz – Krakowskim Instytucie Technologicznym.
Posiada pięcioletnie doświadczenie w prowadzeniu prac badawczych z zakresu wytwarzania materiałów ceramicznych i supertwardych technikami spiekania wysokociśnieniowego, realizuje nieniszczące badania materiałowe, wykonuje usługi dla jednostek naukowych i przemysłu. Posiada umiejętności przygotowywania mieszanek proszkowych do spiekania oraz wykonywania badań podstawowych właściwości fizycznych i mechanicznych materiałów ceramicznych, w tym umiejętności w zakresie pomiarów gęstości pozornej i nasiąkliwości metodą nasycania w próżni, badań modułu Younga i współczynnika Poissona metodą ultradźwiękową, pomiarów twardości metodą Rockwella, Vickersa oraz pomiarów krytycznego współczynnika intensywności naprężeń KIC metodą wgłębnikową. Bierze czynny udział w prowadzeniu badań mikrostrukturalnych materiałów metodami mikroskopii świetlnej oraz skaningowej, a także w realizacji procesów spiekania metodą Spark Plasma Sintering. Posiada doświadczenie w zakresie spiekania metodą wysokociśnieniową HPHT (ang. High Pressure High Temperature) materiałów dodatkiem fazy supertwardej w postaci regularnego azotku boru. Optymalizuje parametry spiekania materiałów, wykonuje kalibracje temperaturowe prasy HPHT. Brała udział w projektach badawczych, w tym finansowanych ze środków NCBiR oraz pracach subwencyjnych.
Prowadzi doktorat wdrożeniowy na temat opracowania kompozytu z regularnym azotkiem boru z wieloskładnikową fazą wiążącą w postaci związków tytanu do zastosowań na narzędzia skrawające.
mgr inż. johanna Kędzierska
Młodszy specjalista ds. badawczych w Łukasiewicz – Krakowskim Instytucie Technologicznym.
Posiada umiejętności przygotowania mieszanek do spiekania oraz wykonywania badań właściwości fizycznych i mechanicznych materiałów, w tym w zakresie wyznaczania gęstości pozornej i nasiąkliwości metodą nasycania w próżni, modułu Younga i współczynnika Poissona metodą ultradźwiękową, pomiarów twardości metodą Vickersa oraz pomiarów krytycznego współczynnika intensywności naprężeń KIC metodą wgłębnikową i badań mikrostrukturalnych przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej.
mgr Bazyli Olszański
Młodszy specjalista ds. badawczych w Łukasiewicz – Krakowskim Instytucie Technologicznym.
Chemik specjalizujący się w wytwarzaniu ceramiki metodą FAST/SPS. W ramach prowadzonych badań zajmuje się przygotowaniem mieszanek proszkowych do spiekania oraz kompleksową charakterystyką właściwości otrzymanych materiałów. Obejmuje ona m.in. wyznaczanie gęstości pozornej metodą Archimedesa, modułu Younga i współczynnika Poissona metodą ultradźwiękową, twardości metodą Vickersa oraz krytycznego współczynnika intensywności naprężeń metodą wgłębnikową. Wykonuje również analizę składu fazowego z wykorzystaniem dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz badania mikrostruktury metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Szczególną uwagę poświęca analizie i interpretacji uzyskanych wyników, które stanowią podstawę planowania kolejnych etapów badań.
mgr inż. jan słomiński
Specjalista ds. Badawczych w Łukasiewicz – Krakowskim Instytucie Technologicznym.
Posiada 5-letnie doświadczenie badawcze w zakresie wytwarzania i badań zaawansowanych materiałów ceramicznych oraz spiekania reakcyjnego. Posiada umiejętności związane z badaniami właściwości materiałów tj. pomiar gęstości pozornej metodą Archimedesa, modułu Younga metodą ultradźwiękową, pomiaru twardości oraz krytycznego współczynnika intensywności naprężeń metodą wgłębnikową, analizę składu fazowego materiałów metodą dyfrakcji rentgenowskiej, analizy rozkładu ziarnowego metodami dyfrakcji laserowej jak i dynamicznego rozpraszania światła. Brał udział w kilku projektach badawczych finansowanych przez AGH w Krakowie w trakcie trwania studiów doktorskich. W pracy doktorskiej skupia się na otrzymywaniu nanolaminatów borkowych na bazie chromu.
dr inż. magdalena bisztyga-szklarz
Starszy Specjalista ds. Badawczych w Sieć Badawcza Łukasiewicz – Krakowskim Instytucie Technologicznym
Absolwentka studiów chemicznych na Uniwersytecie Jagiellońskim, w 2017 r uzyskała tytuł doktora nauk technicznych w Akademii Górniczo-Hutniczej. Działalność naukowa obejmuje zagadnienia korozji wysokotemperaturowej, ze szczególnym uwzględnieniem procesów degradacji materiałów w warunkach ekstremalnych oraz mechanizmów ich ochrony.
Od ostatnich pięciu lat główny nurt badawczy koncentruje na zaawansowanej analizie strukturalnej materiałów z wykorzystaniem dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). Specjalizuje się w jakościowej i ilościowej analizie fazowej, identyfikacji oraz charakterystyce struktur krystalicznych. Prowadzi kompleksowe badania materiałów obejmujące m.in. analizę składu fazowego, identyfikację produktów korozji oraz śledzenie zmian strukturalnych. Prace w tym obszarze mają zarówno charakter poznawczy, jak i aplikacyjny, wspierając rozwój nowoczesnych materiałów funkcjonalnych.
Uczestniczka krajowych i międzynarodowych projektów badawczych, systematycznie poszerzając swoje kompetencje naukowe i wdrożeniowe. Współautorka publikacji naukowych. Obecnie prowadzi projekt badawczy Miniatura 9 finansowany przez Narodowe Centrum Nauki.
realizacja projektu
harmonogram
ZADANIE 1
W ramach zadania dobrane zostaną substraty planowanych reakcji o odpowiedniej morfologii i czystości, a także metody przygotowania mieszanek oraz parametry procesów spiekania reakcyjnego, tak aby w wyniku konsolidacji otrzymywać spieki ceramiczne o pożądanym składzie fazowym oraz dobrych właściwościach fizycznych i wytrzymałościowych. Materiały zostaną wytworzone na urządzeniu SPS firmy FCT o oznaczeniu HP D 5, w matrycach grafitowych. W tym zadaniu przeprowadzone zostaną procesy konsolidacji materiałów o maksymalnej średnicy 20 mm i wysokości około 5 mm.
ZADANIE 2
Wyzwaniem podjętym w ramach tego zadania jest opracowanie technologii wytwarzania materiałów o wymiarach umożliwiających wykonanie targetów do urządzeń PVD. Zadanie dotyczy przeskalowania technologii wytwarzania materiałów z zastosowaniem RSPS ze skali laboratoryjnej do skali umożliwiającej konsolidację materiałów o wymiarach pozwalających na ich praktyczne zastosowanie. W ramach zadania przeprowadzone zostaną procesy spiekania półfabrykatów na targety tj. dysków o średnicy do 80mm i wysokości do 10mm.
ZADANIE 3
W ramach tego zadania półfabrykaty uzyskane metodą spiekania reakcyjnego SPS zostaną poddane precyzyjnej obróbce kształtującej (szlifowanie, obróbka elektroerozyjna), aby nadać im odpowiednią geometrię i jakość powierzchni wymaganą do montażu w urządzeniach PVD. Celem zadania jest opracowanie technologii obróbki materiałów UHTC, obejmującej dobór metod i parametrów szlifowania i obróbki elektroerozyjnej, kontrolę chropowatości powierzchni oraz ocenę mikrostruktury po obróbce. W ramach tego etapu opracowana zostanie także technologia łączenia targetów z płytą nośną oraz przeprowadzone zostaną badania odporności termicznej, umożliwiające kwalifikację targetów do testów nanoszenia powłok.
ZADANIE 4
W ramach zadania przeprowadzone zostaną procesy nanoszenia powłok z wykorzystaniem wytworzonych targetów oraz urządzenia PVD. Zakłada się przeprowadzenie optymalizacji parametrów procesu PVD dla każdej grupy materiałowej targetów. Praca będzie obejmowała dobór i optymalizację procesów nanoszenia powłok dla uzyskania powłok o odpowiednich grubościach, adhezji i właściwościach.
finansowanie
Projekt jest finansowany w ramach projektu badawczego LIDER XIV nr LIDER14/0268/2023 pt. „Innowacyjne targety PVD dla ultrawysokotopliwych powłok ceramicznych, spiekane reakcyjnie metodą SPS” przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
Numer konkursu: LIDER XIV
Wartość Projektu: 1 799 657,50 PLN
