R E C E N Z J A. Prof. dr hab. inż. Maria Sozańska. Katowice, r.

Transkrypt

1 Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Prof. dr hab. inż. Maria Sozańska Katowice, r. R E C E N Z J A rozprawy doktorskiej Pani mgr inż. Moniki Soleckiej p.t.: Odporność na korozyjno-erozyjna powłok ze stopów Inconel 625 i 686 wykorzystywanych w spalarniach odpadów wykonanej na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej pod kierunkiem Pani dr hab. inż. Agnieszki Radziszewskiej. 1. Ogólna charakterystyka rozprawy doktorskiej Uwarunkowania prawno ekologiczne kraju (dyrektywa IPPC (Integrated Pollution Prevention and Control - zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrola) standard BAT (Best Available Technology najlepsze dostępne techniki), wzrost bezpieczeństwa energetycznego oraz poprawa parametrów technicznych pracy bloków energetycznych, wymuszają budowę nowoczesnych bloków energetycznych na parametry nadkrytyczne o sprawności ponad 45%. Budowa bloków wymaga zastosowania nowoczesnych materiałów, które spełniają wysokie wymagania dotyczące czasowej wytrzymałości na pełzanie w czasie godzin przy naprężeniu 100 MPa oraz odporności korozję wysokotemperaturową (przyrost produktów korozji jest mniejszy niż 2 mm w ciągu godzin) i erozję w środowisku agresywnych gazów z produktów spalania. Dodatkowo wymagane jest opanowanie technologii wytwarzania odpowiednich elementów kotłów energetycznych. Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Instytut Inżynierii Materiałowej ul. Krasińskiego 8, Katowice tel / fax maria.sozanska@polsl.pl

2 Rozwój kotłów na parametry ultranadkrytyczne (Advanced Ultra Supercritical A USC) o temperaturze pary świeżej ( )ºC i ciśnieniu w zakresie (30 37) MPa, wymaga zastosowania na elementy ciśnieniowe kotła nowych materiałów z grupy nadstopów na bazie niklu. Nadstopy niklu należą do grupy materiałów żarowytrzymałych, które charakteryzują się wysoką odpornością na oddziaływanie środowiska korozyjnego w wysokiej temperaturze i zapewniają jednocześnie wysoką stabilność struktury i właściwości w tych warunkach. Temat pracy doktorskiej Pani mgr inż. Moniki Soleckiej wpisuje się w główny nurt światowych badań nad zastosowaniem nadstopów niklu jako powłok ochronnych na elementy kotłów energetycznych do pracy w szczególnie trudnych warunkach, np. w spalarniach odpadów. Eksploatacja materiałów w spalarniach odpadów stwarza szereg problemów związanych z trwałością urządzeń energetycznych. Trwałość ta jest związana przede wszystkim z procesami niszczącego oddziaływania produktów spalania na elementy konstrukcyjne kotłów. Opisuje je złożony układ zjawisk fizykochemicznych charakteryzujących lokalne niszczenie materiałów pod wpływem łącznego oddziaływania agresywnego środowiska produktów spalania odpadów w wyniku reakcji chemicznych lub elektrochemicznych, erozji oraz naprężeń mechanicznych. Opis całokształtu zjawisk zachodzących w tych warunkach, mimo ogromnego rozwoju nowoczesnych metod badawczych w XX i XXI wieku, stanowi wciąż wyzwanie badawcze dla współczesnej chemii i fizyki oraz inżynierii materiałowej. Na pozytywny wynik końcowy w postaci otrzymania materiału o zaprojektowanej odporności na korozję i erozję w warunkach pracy nowoczesnych kotłów fluidalnych składają się dwa podstawowe aspekty, z jednej strony jest to gruntowana znajomość zagadnień teoretycznych (przede wszystkich charakterystyka zjawisk korozji i erozji oraz właściwości materiału), a z drugiej - opracowanie i wdrożenie technologii. Projektowanie materiałów z powłokami ochronnymi o określonej odporności korozyjno-erozyjnej do pracy w warunkach kotłów energetycznych jest złożone i pomimo wielu prób nie zawsze kończy się sukcesem. Jednocześnie, jeśli uwzględni się postęp wiedzy teoretycznej i metod badawczych, to z każdym rokiem poszerza się skala możliwości poznania zjawisk korozji materiałów i jednocześnie ich kontroli w celu wykorzystania w praktyce. Tematyka rozprawy doktorskiej wpisuje się w główny nurt wytwarzania i badań materiałów dla energetyki oraz jednocześnie w krąg problematyki wytwarzania nowych materiałów powłok na bazie nadstopów niklu Inconel 625 i 686. Rozprawę doktorską Pani Moniki Soleckiej charakteryzuje walor aktualności i oryginalności nie tylko w zakresie 2

3 wybranej tematyki badań, ale także w aspekcie zastosowania szerokiej gamy metod badawczych na najwyższym poziomie - struktury, składu chemicznego i fazowego oraz topografii powierzchni. 2. Charakterystyka szczegółowa rozprawy doktorskiej Praca napisana jest jasno i wyraźnie rozdzielona na dwie części: przegląd piśmiennictwa zakończony określeniem celu i tezy pracy (rozdziały 1-2, strony od 8 do 50) oraz badań własnych zakończonych krótką dyskusją wyników i wnioskami (rozdziały 3-5, strony od 51 do 147). Rozdział 6 pracy zawiera spis literatury. Ogólnie praca liczy 166 stron. Autorka powołuje się na 178 pozycji literaturowych, w tym 4 (3 z listy A) jest współautorką. Wskazuje to na dobre rozeznanie w literaturze przedmiotu, w tym co jest godne również uwagi, w pracach autorów polskich. Klasyczny układ pracy pozwala jednoznacznie wyodrębnić osiągnięcia własne Pani mgr inż. Moniki Soleckiej. Cześć studialna pracy jest integralnie związana z jej tematem i została oparta na szerokim przeglądzie najnowszych pozycji literaturowych i monograficznych, dotyczących we wprowadzeniu do tematyki badawczej (rozdział 1) opisu produkcji energii (rozdział 1.1.), termicznego wykorzystania odpadów komunalnych w celu pozyskania energii elektrycznej i cieplnej (rozdział 1.2), paliw stosowanych w energetyce (rozdział 1.3), charakterystyki materiałów na elementy kotłów w energetyce (rozdział 1.4), stali kotłowych (rozdział 1.5), stali o podwyższonej odporności na korozję stosowanych w energetyce (rozdział 1.6), materiałów na powłoki ochronne stosowanych w kotłach energetycznych (rozdział 1.7). Część literaturowa pracy kończy się krótkimi charakterystykami zużycia korozyjnego (rozdział 1.8), erozyjnego (rozdział 1.9) i korozyjno-erozyjnego (rozdział 1.10) materiałów. W tej części pracy, na uwagę zasługuje dobra, chociaż czasami zbyt ogólnikowa, charakterystyka prawno-ekologicznych aspektów związanych z wykorzystaniem odpadów do wytwarzania energii oraz stosowanych materiałów w kotłach energetycznych, ze szczególnym zwróceniem uwagi na materiały na powłoki ochronne oraz problemy ich niszczenia w warunkach korozyjno-erozyjnych podczas eksploatacji. Interesujące i wartościowe jest zestawienie właściwości i technologii związanych z materiałami żarowytrzymałymi, szczególnie ze względu na szeroki i właściwy dobór źródeł literaturowych. 3

4 Pani mgr inż. Monika Solecka opisała szczegółowo wpływ składu chemicznego i mikrostruktury stali i stopów, warunków procesów niszczenia w kotłach energetycznych (temperatury, składu chemicznego i fazowego produktów spalania, czasu) na skład chemiczny i fazowy, morfologię składników oraz właściwości mechaniczne i odporność na korozję wysokotemperaturową oraz erozję wytworzonych powłok żarowytrzymałych na stalach kotłowych. Autorka słusznie stwierdza, że trudno jest pogodzić dla żarowytrzymałych stali kotłowych dobrą odporność na korozję wysokotemperaturową i erozję z wymaganymi właściwościami mechanicznymi i wskazuje na możliwości rozwiązania tego problemu poprzez zastosowanie powłok ochronnych z nadstopów niklu. Analiza literatury wskazuje, że szereg wyników badań opisujących utlenianie i korozję nadstopów niklu (m.in. IN 625, IN 686) przeznaczonych na elementy kotła energetycznego, zawiera testy korozyjne wykonywane głównie w powietrzu, a nadal jest brak szczegółowych wyników dotyczących zachowania się nadstopów w środowisku popiołów ze spalania odpadów, charakterystyki zgorzeliny oraz ich utleniania wewnętrznego wraz z opisem struktury w obszarze utworzonych tlenków. Wynikiem krytycznej analizy literatury i jej podsumowania jest sformułowanie przez Panią mgr inż. Monikę Solecką tezy pracy: Morfologia, skład chemiczny i fazowy zgorzeliny tworzącej się w popiołach pochodzących ze spalarni odpadów zależą od składu chemicznego i struktury powłok i decydują o ich odporności na zużycie korozyjno-erozyjne. W tezie pracy Autorka nie ustrzegła się skrótu myślowego traktując hipotezę badawczą jako dalszy ciąg własnych rozważań ją poprzedzających ponieważ brakuje w niej odniesienia do materiału będącego przedmiotem badań. Wydaje mi się, że szczęśliwym rozwiązaniem byłoby wyraźne odniesienie się w tezie do materiału do badań, np. Morfologia, skład chemiczny i fazowy zgorzeliny na stali kotłowej 16Mo3 z napawanymi powłokami z nadstopów niklu Inconel 625 i 686, tworzącej się w popiołach pochodzących ze spalarni odpadów, zależą od składu chemicznego i struktury powłok oraz decydują o jej odporności na zużycie korozyjno-erozyjne. Mimo tych uwag, tezę pracy uważam za poprawną pod względem naukowym, jasno sformułowaną i jednocześnie na tyle ogólną, że można oczekiwać różnych dróg jej udowodnienia. Program badań (rozdział 2), przygotowanie materiału do badań (rozdział 3.1) i zastosowane metody badań (rozdział 3.2) są całkowicie adekwatne do postawionych zadań. 4

5 Na szczególną uwagę zasługuje wybór i przygotowanie materiału do badań na podłoże ze stali kotłowej 16Mo3 nałożono napoiny z nadstopów niklu Inconel 625 i 686 metodą CMT (Colt Metal Transfer). Dużą staranność Autorka wykazała również przygotowując odpowiednie zestawy próbek do testów korozyjnych i erozyjnych, badań metalograficznych oraz strukturalnych w zakresie preparatyki cienkich foli metodą FIB (Focus Ion Beam). Realizacja szerokiego zakresu badań wynikająca z postawionej tezy badawczej pracy była możliwe dzięki odpowiedniemu zastosowaniu zaawansowanego spektrum metod badania struktury (mikroskopia świetlna - LM, elektronowa mikroskopia skaningowa SEM, elektronowa mikroskopia transmisyjna TEM i skaningowo-transmisyjna STEM przy użyciu technik: pola jasnego - BF, pola ciemnego DF, pierścieniowego pola ciemnego HAADF), składu chemicznego (mikroanaliza rentgenowska przy użyciu spektrometru rentgenowskiego z dyspersją energii - EDS i rentgenowska spektrometria fotoelektronów - XPS), analizy składu fazowego (dyfrakcja rentgenowska XRD oraz dyfrakcja elektronowa SAED), właściwości mechanicznych (twardość i nanotwardość: HV, moduł Younga), topografii powierzchni (profilometr optyczny) i energii swobodnej (program FACT SAGE 6.4). Trzeba przyznać, że analiza postawionych zadań, jak również dobór materiału i wybór metod badawczych, pozwala na stwierdzenie, że Pani Monika Solecka postawione zadania rozwiązała w sposób poprawny, wykazując tym samym dobre przygotowanie do samodzielnego rozwiązywania zagadnień zarówno teoretycznych, jak też związanych z praktyczną realizacją eksperymentu. Pierwsza część badań własnych (rozdział 3.3.1) w prezentowanej rozprawie doktorskiej dotyczy analizy mikrostruktury, składu chemicznego i fazowego oraz oceny właściwości mechanicznych materiału wyjściowego przed testami korozyjnymi i erozyjnymi - napoin z nadstopów niklu Inconel 625 i 686. Dalsza część badań własnych Autorki w rozdziale dotyczy charakterystyki utleniania napoin z nadstopów niklu Inconel 625 i 686 umieszczonych w popiołach ze spalania odpadów w temperaturze 650 C wraz ze szczegółową charakterystyką zmian ich morfologii powierzchni, składu chemicznego i fazowego po utlenianiu. Na szczególna uwagę w tej części rozprawy doktorskiej zasługuje opis struktury otrzymanych powłok i zgorzelin (SEM, TEM, STEM) z poprawną identyfikacją faz (XRD, SAED) oraz określeniem składu chemicznego (EDS, XPS) na powierzchni i przekroju poprzecznym. Dodatkowo dokonano też oceny grubości zgorzeliny oraz wyznaczenia energii swobodnej powstawania tlenków podczas utleniania. Chcę tu podkreślić, że są to znakomicie zrealizowane badania, z głęboką znajomością możliwości metod 5

6 badawczych i specyfiki materiałów w odniesieniu do oddziaływania środowiska korozyjnego. Analiza tych wyników badań dokonana przez Autorkę jest konsekwentna, jasna, chociaż miejscami aż ascetyczna w doborze ilustracji graficznych omawianych zagadnień ale jednocześnie pełna świadomej oceny właściwości materiału w świetle stosowanych technik badawczych. Jest to rzadko spotykane w rozprawach doktorskich, a w tej pracy budzi szczery podziw. Drugą część badań własnych (rozdział 3.3.3) Pani Monika Solecka poświeciła ocenie wpływu zużycia erozyjnego napoin w strumieniu cząstek stałych (SiC) pod kątami od 30 do 90. Przedmiotem szczegółowych analiz była makrostruktura (LM) i mikrostruktura (SEM) oraz ilościowa ocena zużycia erozyjnego (profilometr optyczny).. W Dyskusji i podsumowaniu wyników badań (rozdział 4), przedstawionej rozprawy doktorskiej Pani mgr inż. Monika Solecka dokonuje analizy wszystkich otrzymanych wyników od charakterystyki mikrostruktury napoin z nadstopów niklu Inconel 625 i 686, poprzez wyniki badań morfologii powierzchni oraz mikrostruktury przekrojów porzecznych napoin i ich zgorzelin po procesie utleniania w popiołach ze spalania odpadów, ich składu chemicznego i fazowego, uzupełnionego wynikami badań mechanicznych i obliczeń termodynamicznych, dowodząc w całej pełni słuszności postawionej tezy. Autorka przedstawiła modelowe ujęcie wyników swoich badań własnych w zakresie zmian mikrostruktury i wzrostu zgorzelina w napoinach z nadstopów niklu Inconel 625 i 686 w środowisku popiołów ze spalania odpadów w temperaturze 650 C oraz zużycia erozyjnego w zależności od kąta padania ścierniwa dla temperatury 20 i 650 C. W tej części pracy Autorka w pełni wykazała umiejętność syntetycznego i zarazem pogłębionego w stosunku do wcześniejszych opracowań, ujęcia teoretycznych i praktycznych aspektów badań własnych. Widać tu wyraźne starania Autorki o uogólnienia i usystematyzowanie współzależności oddziaływania i interakcji różnorodnych czynników w procesie niszczenia w złożonym układzie korozyjno-erozyjnym napoin z nadstopów niklu Inconel 625 i 686 na podłożu ze stali kotłowej 16Mo3. Jest to bardzo poglądowa i komunikatywna forma przekazu analizy otrzymanych wyników. Analiza oraz wnioski sformułowane na podstawie otrzymanych wyników badań są przedstawione w sposób jasny i wskazują jednoznacznie, że postawiona przez Panią mgr inż. Monikę Solecką teza została w pełni udowodniona. 6

7 3. Ocena rozprawy doktorskiej Za największe zalety pracy uważam: 1. Opis zjawisk strukturalnych zachodzących na powierzchni i w strukturze w napoinach z nadstopów niklu Inconel 625 i 686 na podłożu ze stali kotłowej 16Mo3 warunkach oddziaływania popiołów ze spalania odpadów w temperaturze 650 C oraz modelowy opis niszczenia korozyjnego. 2. Perfekcyjne wykorzystanie szerokiego spektrum metod badawczych w zakresie badań struktury, składu chemicznego i fazowego, z uwzględnieniem ich możliwości i ograniczeń, w opisie zmian właściwości napoin z nadstopów niklu Inconel 625 i 686 w warunkach oddziaływania korozyjnego. Oceniając pozytywnie rozprawę doktorską, pozwolę sobie na kilka uwag do dyskusji, a w szczególności: 1. Uważam za mało wyczerpujący opis wytworzenia materiału do badań w zakresie doboru i warunków procesu napawania nadstopów niklu Inconel 625 i 686 na podłoże ze stali kotłowej 16Mo3 w celu wytworzenia materiału z przeznaczeniem do pracy w kotłach energetycznych do spalania odpadów o wymaganych właściwościach mechanicznych oraz odporności na korozję wysokotemperaturową. Proszę o wyjaśnienie, czym kierowano się w doborze zaproponowanych warunków procesu napawania. 2. Przedstawiony zestaw badań mikrostruktury i właściwości mechanicznych oraz odporności na korozję wysokotemperaturową napoin z nadstopów niklu został w pracy doktorskiej właściwie dobrany i znakomicie wykorzystany do oceny właściwości materiałów. Ale czy można by go rozszerzyć o jeszcze inne badania - jakie i dlaczego? W podsumowaniu recenzji stwierdzam, że pod względem edytorskim praca jest wykonana poprawnie, napisana jest prostym i jasnym językiem. Zauważone nieścisłości nie są warte szczegółowego opisu w recenzji. 7

8 4. Ocena końcowa rozprawy doktorskiej W ogólnej ocenie stwierdzam, że Pani mgr inż. Monika Solecka zrealizowała zadanie badawcze będące przedmiotem rozprawy doktorskiej. Zawarte w rozprawie wnioski są udokumentowane. Postawioną na początku części badań własnych tezę rozprawy w pełni udowodniono w oparciu o przeprowadzone studium literaturowe oraz wykonane i prawidłowo zinterpretowane wyniki badań własnych. Sposób przedstawienia i opracowania wyników badań wskazuje, że Autorka rozprawy opanowała w stopniu zadowalającym warsztat badawczy niezbędny do realizacji pracy i wykazała niezbędną wiedzę z zakresu inżynierii materiałowej, planowania badań i metod matematycznych opracowania wyników. Sformułowała szereg wniosków o znaczeniu poznawczym i aplikacyjnym. Biorąc pod uwagę poznawcze i aplikacyjne znaczenie pracy, sposób realizacji programu badawczego, formę opracowania i przedstawienia wyników wykonanych badań, jak również zaprezentowane wnioski, mogę z przekonaniem stwierdzić, że rozprawa spełnia wymagania Ustawy o Stopniach i Tytułach Naukowych stawiane pracom doktorskim i wnoszę o dopuszczenie Pani mgr inż. Moniki Soleckiej do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Na podstawie przedstawionej opinii stwierdzam, że przedstawiona praca doktorska Pani mgr inż. Moniki Soleckiej p.t.: Odporność na korozyjno-erozyjna powłok ze stopów Inconel 625 i 686 wykorzystywanych w spalarniach odpadów spełnia wszystkie wymagania stawiane rozprawom doktorskim, przewidziane odpowiednimi ustawami i jednocześnie wnioskuję o jej wyróżnienie. Katowice, r. Prof. dr hab. inż. Maria Sozańska 8