2A. ZAŁĄCZNIK do Wniosku AUTOREFERAT

Transkrypt

1 Dr inż. Aleksander Lisiecki Katedra Spawalnictwa Wydział Mechaniczny Technologiczny Politechnika Śląska 2A. ZAŁĄCZNIK do Wniosku AUTOREFERAT przedstawiający opis osiągnięć naukowych, w szczególności określonych w art. 16 ust. 2 ustawy w formie papierowej w języku polskim Gliwice, r.

2 Spis treści 1. Imię i nazwisko Posiadane dyplomy i stopnie naukowe Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Wskazanie osiągnięcia naukowego stanowiącego dzieło opublikowane w całości Pozostałe osiągnięcia naukowo-badawcze Działalność prowadzona przed doktoratem Działalność prowadzona po uzyskaniu doktoratu

3 1. Imię i nazwisko Aleksander LISIECKI 2. Posiadane dyplomy i stopnie naukowe 1993 technik mechanik, specjalność Budowa i eksploatacja maszyn i urządzeń mechanicznych, Technikum Mechaniczne Zespołu Szkół Zawodowych Nr 1 w Rudzie Śląskiej magister inżynier, specjalność Technologia i urządzenia spawalnicze, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska w Gliwicach. Temat pracy dyplomowej magisterskiej: Opracowanie kinetycznego modelu procesu absorpcji azotu w warunkach topienia łukowego. Promotor: dr inż. Andrzej Gruszczyk doktor nauk technicznych, dyscyplina inżynieria materiałowa, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska. Temat rozprawy doktorskiej: Spawanie laserem diodowym blach stalowych ocynkowanych. Promotor: prof. dr hab. inż. Andrzej Klimpel Recenzent wewnętrzny: prof. dr hab. inż. Leszek A. Dobrzański Recenzent zewnętrzny: dr hab. inż. Andrzej Zając, prof. Pol. Krak. Praca wyróżniona uchwałą Rady Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej nr 7/24/00/01 z dnia 30 maja 2001 r. 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Miejsce zatrudnienia Katedra Spawalnictwa, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska ul. Konarskiego 18A , Gliwice 3

4 Historia zatrudnienia - od 1 września 1998 na stanowisku asystenta w Katedrze Spawalnictwa na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. - od 1 sierpnia 2001 na stanowisku adiunkta w Katedrze Spawalnictwa na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. 4. Wskazanie osiągnięcia naukowego stanowiącego dzieło opublikowane w całości Moje osiągnięcia naukowe, uzyskane po otrzymaniu stopnia doktora, stanowiące znaczny wkład w rozwój dyscypliny inżynieria materiałowa określone w art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U r. poz. 882 ze zm. w Dz. U. z 2016 r. poz ) zawarte są w autorskiej monografii habilitacyjnej: Aleksander Lisiecki pt.: Shaping the properties of surface layers by laser gas nitriding of titanium alloy with HPDDL laser, opublikowana w Wydawnictwie Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2016, s ISBN , s. 291 Recenzenci wydawniczy: Prof. zw. dr hab. inż. Jan PIWNIK, Dr hab. inż. Ryszard FILIP, prof. Pol. Rz. Autorski wkład pracy habilitacyjnej do nauki w dyscyplinie inżynieria materiałowa dotyczy wyjaśnienia mechanizmów azotowania stopu tytanu Ti6Al4V za pomocą wiązki lasera diodowego dużej mocy o emisji bezpośredniej (HPDDL) i dominującej długości fali 0,808 m oraz równomiernym, wielomodowym rozkładzie energii promieniowania w kierunku poprzecznym prostokątnego ogniska wiązki laserowej, w atmosferze gazowej (z ang. Laser Gas Nitriding LGN, zwanego dalej azotowaniem laserowym). Wyznaczono wpływ gęstości mocy wiązki lasera diodowego, atmosfery gazowej w postaci mieszaniny argonu i azotu o różnych proporcjach (ciśnieniach parcjalnych) oraz energii liniowej azotowania laserowego na stopień absorpcji promieniowania laserowego, intensywność 4

5 nagrzewania i nadtapiania podłoża stopu tytanu, intensywność absorpcji azotu przez nadtopione podłoże oraz mechanizm krystalizacji i wzrostu azotków tytanu w warstwie wierzchniej w szerokim zakresie parametrów i warunków technologicznych. Zaproponowano i omówiono rozszerzony model azotowania laserowego tytanu w stanie stałym i ciekłym. Omówiono i wyjaśniono mechanizm znacznego wzrostu głębokości nadtopienia podłoża tytanu i stopu tytanu wiązką laserową wraz ze wzrostem zawartości (ciśnienia parcjalnego) azotu w atmosferze mieszaniny argonu i azotu. Wykazano, iż wzrost głębokości nadtopienia podłoża związany jest nie tylko z wydzielaniem ciepła podczas egzotermicznej reakcji tworzenia azotków tytanu, ale również w znacznym stopniu ze zmianą absorpcyjności powierzchni nagrzewanej wiązką laserową w atmosferze azotu. Zidentyfikowano mikrostrukturę i morfologię warstw wierzchnich, jak również zbadano topografię, właściwości optyczne, tribologiczne oraz odporność erozyjną warstw wierzchnich wytworzonych w różnych warunkach technologicznych, w szczególności przy różnych energiach liniowych procesu azotowania laserowego. Omówiono mechanizm wzrostu twardości warstwy wierzchniej azotowanej laserowo na podłożu stopu tytanu. Wykazano, iż twardość na przekroju poprzecznym warstwy wierzchniej zależy nie tylko od udziału azotków tytanu w osnowie metalicznej, lecz w znacznym stopniu od stężenia atomowego (współczynnika stechiometrycznego) azotków tytanu TiNx. Najwyższą twardość warstwy wierzchniej zapewniają azotki tytanu o stężeniu stechiometrycznym -TiN. Wykonano też badania porównawcze procesu azotowania laserowego stopu tytanu Ti6Al4V za pomocą lasera dyskowego Yb:YAG o kołowym przekroju wiązki laserowej i długości fali 1,030 m oraz rozkładzie energii promieniowania na przekroju poprzecznym ogniska wiązki laserowej zbliżonym do rozkładu gaussowskiego. Wykazano, że mechanizm nagrzewania i nadtapiania podłoża ze stopu tytanu, a w związku z tym mechanizm tworzenia warstwy wierzchniej, w procesie azotowania z zastosowaniem wiązki lasera diodowego HPDDL jest odmienny niż przy zastosowaniu wiązki lasera dyskowego Yb:YAG. Ponadto wykazano, że zastosowanie wiązki lasera HPDDL w procesie azotowania stopu tytanu Ti6Al4V w stanie stałym oraz ciekłym jest korzystne i pozwala na precyzyjne sterowanie kształtem i grubością warstwy azotowanej, morfologią i twardością, topografią powierzchni, jak również właściwościami użytkowymi warstw wierzchnich. Wykazano, iż nawet warstwy wierzchnie o najwyższej twardości, 5

6 azotowane z zastosowaniem wiązki lasera diodowego w atmosferze czystego azotu, są wolne od pęknięć i charakteryzują się wysoką jakością. Omówienie celu naukowego pracy i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania Stopy tytanu, pomimo, że wykazują wysokie właściwości mechaniczne w porównaniu do wielu materiałów inżynierskich, a szczególnie bardzo wysoki stosunek wytrzymałości do masy właściwej oraz doskonałą odporność korozyjną w różnych środowiskach, cechują się niskimi własnościami tribologicznymi, niską odpornością na zużycie w wyniku erozji, kawitacji i ścierania, również w przypadku zużycia ściernego typu metal-metal. Ponadto tytan i stopy tytanu posiadają wysoki współczynnik tarcia i cechują się skłonnością do tworzenia zadziorów, co znacznie ogranicza możliwość wykorzystania tytanu i jego stopów do produkcji części maszyn narażonych na zużycie w wyniku tarcia. Jednym z najnowszych i najciekawszych osiągnięć inżynierii materiałowej oraz inżynierii produkcji jest opracowanie i wprowadzenie do przemysłu materiałów kompozytowych. W wielu ośrodkach badawczych na świecie trwają intensywne badania w zakresie wytwarzania materiałów kompozytowych na osnowie metalicznej MMC (Metal Matrix Composite). Tego typu materiały kompozytowe pozwalają na połączenie zalet osnowy metalicznej o wysokiej plastyczności oraz materiału kompozytowego. W związku z tym materiały kompozytowe cechują się doskonałą wytrzymałością zmęczeniową oraz wysoką wytrzymałością na rozciąganie, jednocześnie przy niskim ciężarze właściwym. Jednym z obszarów badań w zakresie materiałów kompozytowych są prace nad rozwojem nowoczesnych materiałów kompozytowych na osnowie tytanu TMC (Titanium Matrix Composite) wzmacnianych cząstkami lub włóknami TiB, TiC, TaC, a najczęściej węglika krzemu SiC. Kompozyty takie posiadają doskonałe właściwości mechaniczne i niski ciężar właściwy. Jednak podobnie jak tytan i stopy tytanu nie posiadają one zadowalających właściwości tribologicznych, pomimo, że powierzchnie robocze części wykonywanych z takich kompozytów pracują w warunkach zużycia erozyjnego, a nawet ściernego. W przypadku produkcji części maszyn i urządzeń ze stopów tytanu, często konieczne jest zastosowanie dodatkowej obróbki warstw wierzchnich, w celu poprawy własności 6

7 użytkowych powierzchni roboczych. Jednak nawet dodatki stopowe, jak i obróbka cieplna części maszyn, wykonanych głównie ze stopów dwufazowych o strukturze Ti + Ti, nie zapewnia zadowalających własności tribologicznych, a szczególnie odporności na zużycie w wyniku ścierania oraz erozji. Najczęściej stosowane obecnie metody zwiększania właściwości tribologicznych warstw wierzchnich stopów tytanu polegają na nanoszeniu powłok adhezyjnych za pomocą natryskiwania cieplnego oraz metod PVD i CVD, jak i zastosowaniu metod obróbki cieplnochemicznej: azotowania, utleniania, borowania czy nawęglania. Powszechnie uznaje się, że najskuteczniejszym sposobem poprawy właściwości tribologicznych warstw wierzchnich stopów tytanu jest obróbka cieplno-chemiczna azotowania powierzchniowego, głównie za pomocą azotowania jarzeniowego, plazmowego, azotowania w kąpielach solnych oraz implantacja jonowa. Wymienione metody azotowania powierzchniowego wykazują jednak wiele wad i ograniczeń z uwagi na bardzo długi czas procesu azotowania, który wynosi od kilku do nawet kilkudziesięciu godzin, a grubość warstwy wierzchniej z wydzieleniami azotków tytanu jest niewielka, zazwyczaj rzędu kilku do maksymalnie kilkudziesięciu mikrometrów. Jednakże poprawa właściwości tribologicznych powierzchni roboczych części maszyn i urządzeń ze stopów tytanu wymienionymi powyżej metodami, prowadzi zwykle do obniżenia innych właściwości mechanicznych, głównie plastyczności, wytrzymałości zmęczeniowej oraz prowadzi do znacznego wzrost naprężeń własnych, a nawet pęknięć w warstwie wierzchniej. Jednym z najnowocześniejszych, ekonomicznych i najbardziej efektywnych sposobów kształtowania właściwości warstw wierzchnich materiałów inżynierskich jest laserowe stopowanie powierzchniowe LSA (Laser Surface Alloying). Z kolei oryginalną techniką stopowania laserowego tytanu i stopów tytanu jest nagrzewanie powierzchni lub nadtapianie podłoża wiązką laserową w atmosferze gazowej azotu lub bogatej w azot, zwane azotowaniem laserowym gazowym LGN (Laser Gas Nitriding). Dzięki dużej skłonności tytanu do absorpcji azotu w temp. powyżej 600 C oraz wydzielania azotków w podwyższonej temperaturze warstwa wierzchnia ulega silnemu naazotowaniu w wyniku nagrzewania lub nadtapiania podłoża tytanu i stopów tytanu wiązką laserową w atmosferze czystego azotu lub mieszaniny azotu z argonem. 7

8 W przypadku azotowania laserowego tytanu i stopów tytanu w stanie stałym, czyli bez nadtapiania podłoża, warstwa wierzchnia jest silnie naazotowana, a jej mikrostruktura składa się głównie z silnie przesyconego azotem roztworu stałego tytanu Ti oraz stosunkowo niewielkiej ilości azotków tytanu wydzielonych w warstwie przypowierzchniowej o głębokości nie większej niż 200 µm. Z kolei w przypadku nadtopienia podłoża tytanu lub stopu tytanu wiązką laserową w atmosferze szczególnie czystego azotu proces absorpcji azotu i wydzielania azotków przebiega bardzo intensywnie, a warstwa wierzchnia posiada strukturę warstwy kompozytowej z azotkami osadzonymi w osnowie metalicznej roztworu stałego Ti przesyconego azotem. Proces tworzenia warstwy kompozytowej jest wynikiem dysocjacji i absorpcji azotu przez tytan, a następnie wydzielania azotków w wyniku przebiegu reakcji egzotermicznej Ti + N TiN+Q (J). Pierwsze próby azotowania laserowego tytanu podjął S. Katayama, już w latach osiemdziesiątych minionego wieku. Katayama zastosował dostępny i powszechnie stosowany ówcześnie laser gazowy CO2 o ciągłej emisji i kołowym przekroju wiązki laserowej. Stwierdził wtedy, że taka obróbka powierzchniowa tytanu jest bardzo obiecującym sposobem na poprawę właściwości tribologicznych warstw wierzchnich, lecz podstawowym problemem związanym z zapewnieniem jakości tych warstw było ich pękanie, którego nie potrafił wyeliminować. Od tego czasu wykonano już wiele badań w dotyczących laserowego azotowania i obróbki laserowej tytanu oraz stopów tytanu, jednak badania w tym zakresie ciągle trwają. Świadczy o tym rosnąca liczba publikacji w literaturze światowej na temat azotowania laserowego tytanu za pomocą różnych typów laserów. Powodem tego zjawiska jest dynamiczny rozwój urządzeń laserowych i związana z tym poprawa parametrów technicznych, parametrów i charakterystyki promieniowania laserowego, a przez to rosnących możliwości technologicznych. Dotychczas badania w zakresie azotowania i stopowania laserowego tytanu i stopów tytanu w krajowych i światowych ośrodkach naukowych prowadzone były głównie z wykorzystaniem wiązki laserów gazowych CO2 oraz stałych Nd:YAG, o kołowym kształcie ogniska, gaussowskim rozkładzie energii na jego powierzchni i długości fali odpowiednio 10,6 i 1,06 µm. Ponadto większość prac oraz publikacji dotyczy azotowania tytanu w wyniku nagrzewania powierzchni wiązką laserową do temperatury niższej od temperatury topnienia, czyli tzw. azotowania w stanie stałym. Zjawiska fizyczne zachodzące podczas azotowania laserowego w stanie stałym, mechanizmy oraz kinetyka absorpcji azotu przez tytan, kinetyka 8

9 wzrostu azotków tytanu i przemiany fazowe zostały dokładnie zbadane i opisane wyczerpująco w licznych publikacjach dostępnych w literaturze krajowej i światowej. Z kolei w przypadku azotowania laserowego w wyniku nadtopienia tytanu, proces absorpcji azotu przez tytan w stanie ciekłym jest znacznie bardziej złożony, a intensywność absorpcji azotu znacznie większa, podobnie jak dynamika wydzielania i wzrostu azotków oraz przemian fazowych. Brak jest reprezentatywnych danych w literaturze na temat rozpuszczalności azotu w stopach tytanu. Ruchy konwekcyjne w jeziorku podczas nadtapiania wiązką laserową podłoża stopu tytanu, mogą wspomagać proces absorpcji azotu oraz wywierać istotny wpływ na charakter zarodkowania i krystalizacji warstwy wierzchniej. Jednocześnie do tej pory nie wyjaśniono jednoznacznie mechanizmu znacznego wzrostu głębokości przetopienia podczas nadtapiania wiązką laserową tytanu i stopów tytanu w atmosferze mieszaniny argonu i azotu, wraz ze wzrostem ciśnienia parcjalnego azotu. W literaturze światowej dostępnych jest zaledwie kilka publikacji na temat mechanizmów oraz kinetyki absorpcji azotu w warunkach nadtapiania podłoża tytanu wiązką laserową, jak i mechanizmów oraz kinetyki krystalizacji i wzrostu azotków w warstwie wierzchniej. Wiedza w tym zakresie jest ciągle szczątkowa, a tezy stawiane przez niektórych badaczy są często wzajemnie sprzeczne. Z kolei w przypadku publikacji dotyczących zastosowania wiązki lasera diodowego dużej mocy w procesie azotowania tytanu, w literaturze krajowej i światowej istnieje zaledwie kilka prac prezentujących zazwyczaj jedynie wyniki wstępnych prób azotowania. Często też w publikacjach naukowych z zakresu laserowej obróbki materiałów aspekty dotyczące parametrów wiązki laserowej, jej charakterystyki, a nawet samego typu lasera są uznawane za mało istotne i pomijane. Z kolei pomimo wieloletnich badań w zakresie azotowania laserowego stopów tytanu, zastosowanie przemysłowe tej technologii jest bardzo ograniczone, z uwagi na trudności z kontrolą przebiegu procesu azotowania oraz z zapewnieniem wymaganej powtarzalności i jakości warstw wierzchnich, o jednorodnej strukturze i bez pęknięć. Lasery diodowe dużej mocy charakteryzują się wyraźnie odmiennymi właściwościami wiązki laserowej w porównaniu do laserów gazowych CO2 i stałych Nd:YAG. Szczególną cechą wiązki laserów diodowych dużej mocy jest możliwość zapewnienia prostokątnego kształtu ogniska wiązki laserowej oraz bardzo równomierny, tzw. wielomodowy rozkład energii na powierzchni ogniska. Ponadto stopień absorpcji promieniowania laserów 9

10 diodowych o długości fali w zakresie bliskiej podczerwieni od 0,808 do 0,940 m na powierzchni większości metali jest stosunkowo wysoki, w szczególności w porównaniu do promieniowania lasera gazowego CO2 o długości fali 10,6 m. Inspiracją do podjęcia zakrojonych na szeroką skalę badań azotowania laserowego stopu tytanu z zastosowaniem wiązki lasera diodowego były zaskakująco pozytywne i obiecujące wyniki wstępnych prób wykonanych przed ponad dekadą w laboratorium Warwick Manufacturing Group w University of Warwick w Anglii, za pomocą jednego z zaledwie kilku dostępnych ówcześnie laserów diodowych dużej mocy. Wykonane wtedy próby laserowego nadtapiania stopu tytanu OT4 w atmosferze azotu wykazały duże możliwości i potencjał procesu azotowania z zastosowaniem wiązki lasera diodowego oraz zaowocowały szeregiem publikacji i patentem opracowanym w Katedrze Spawalnictwa pod kierownictwem profesora Andrzeja Klimpla, który został skomercjalizowany i wdrożony do przemysłu w roku Kontynuując samodzielnie prace nad rozwojem technologii azotowania laserowego z zastosowaniem wiązki lasera diodowego o emisji bezpośredniej, skoncentrowałem badania na podłożach z czystego tytanu technicznego oraz stopu tytanu Ti6Al4V, który jest najpowszechniej stosowany w przemyśle. Zdobyte doświadczenia wskazywały, iż opracowanie efektywnej i kompleksowej technologii azotowania laserowego stopu tytanu w stanie ciekłym za pomocą wiązki lasera diodowego, która pozwoli na precyzyjne kształtowanie warstw wierzchnich o właściwościach użytkowych dostosowanych do przewidywanych warunków eksploatacji i zużycia, wymaga dalszych badań. W szczególności konieczne jest poznanie zjawisk fizycznych zachodzących w czasie oddziaływania promieniowania laserowego z powierzchnią metalu, mechanizmów przekazywania energii, nagrzewania i nadtapiania podłoża, mechanizmów i kinetyki absorpcji azotu oraz mechanizmów krystalizacji i wzrostu azotków tytanu w warstwie wierzchniej. Tak, więc na podstawie wstępnych wyników badań i doświadczeń w zakresie laserowej obróbki materiałów oraz szczegółowej analizy literatury przyjęto następującą tezę pracy: Zastosowanie wiązki lasera diodowego emitującego promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni o długości fali 0,808 m, o prostokątnym kształcie ogniska wiązki laserowej i równomiernym, wielomodowym rozkładzie energii na przekroju ogniska wiązki laserowej jest korzystne w procesie azotowania laserowego stopu tytanu Ti6Al4V i pozwala na wytworzenie warstw wierzchnich kompozytowych o wysokiej twardości i 10

11 wolnych od pęknięć, jak również kształtowanie właściwości i topografii powierzchni warstw wierzchnich w szerokim zakresie. Głównym celem naukowym pracy było określenie mechanizmów krystalizacji i wzrostu azotków tytanu w warstwie wierzchniej, intensywności absorpcji azotu przez nadtopione podłoże, mechanizmów absorpcji promieniowania laserowego oraz mechanizmów nagrzewania i nadtapiania podłoża stopu tytanu Ti6Al4V w procesie azotowania laserowego. Badania prowadzono w szerokim zakresie parametrów azotowania laserowego, głównie gęstości mocy wiązki lasera diodowego o emisji bezpośredniej (HPDDL) i dominującej długości fali 0,808 m oraz równomiernym rozkładzie energii promieniowania w kierunku poprzecznym prostokątnego ogniska wiązki laserowej, energii liniowej procesu azotowania w atmosferze gazowej w postaci mieszaniny argonu i azotu o różnych proporcjach (ciśnieniach parcjalnych). Celem poznawczym pracy była identyfikacja mikrostruktury, morfologii wydzieleń oraz właściwości użytkowych warstw wierzchnich wytworzonych na podłożu stopu tytanu Ti6Al4V w procesie azotowania laserowego za pomocą lasera diodowego. Wykonano również próby azotowania stopu tytanu Ti6Al4V z zastosowaniem wiązki lasera dyskowego o kołowym przekroju ogniska wiązki laserowej w celu porównania przebiegu oraz wyników procesu azotowania za pomocą dwóch różnych laserów, o różnej charakterystyce wiązki laserowej. Zdefiniowano też cel aplikacyjny pracy, który polegał na analizie wpływu podstawowych parametrów i warunków technologicznych procesu azotowania na właściwości warstw wierzchnich wykonanych na podłożu czystego tytanu technicznego oraz stopu tytanu Ti6Al4V za pomocą wiązki lasera diodowego HPDDL. Wiedza uzyskana w ten sposób (know-how) pozwoli na wyznaczenie pól parametrów optymalnych oraz szczegółowych warunków technologicznych wytwarzania warstw wierzchnich na powierzchniach roboczych podzespołów, części maszyn i urządzeń, jak i narzędzi ze stopu tytanu. Weryfikacja przyjętej tezy oraz osiągnięcie założonych celów pracy wymagało określenia szczegółowego planu eksperymentu i zdefiniowania zakresu oraz opracowania metodologii badań. W celu wykonania zaplanowanych prób technologicznych, jak i pomiarów temperatury, rejestracji obrazu powierzchni podczas obróbki konieczne było 11

12 zaprojektowanie i wykonanie oprzyrządowania oraz dostosowanie stanowisk badawczych wyposażonych w generatory laserowe do laserowego nadtapiania oraz azotowania tytanu i stopu tytanu w kontrolowanej atmosferze gazowej. Próby technologiczne wykonano w Katedrze Spawalnictwa na prototypowych zautomatyzowanych stanowiskach wyposażonych w laser diodowy dużej mocy o emisji bezpośredniej (HPDDL) ROFIN DL 020 oraz laser dyskowy Yb:YAG TRUMPF TruDisk Wykonano też elektronicznie sterowany system osłony gazowej, złożony z mieszalnika gazów (argonu i azotu), komory wypełnianej mieszaniną gazów oraz dyszy zapewniającej osłonę miejscową, którą wykorzystano do wykonania próbek krążkowych przeznaczonych do badań tribologicznych. W celu oceny i analizy warunków cieplnych procesu nadtapiania stopu tytanu w atmosferze gazu obojętnego argonu i aktywnego azotu wykonano pomiary i rejestrację temperatur w trakcie prób technologicznych za pomocą kamery termowizyjnej ThermaCAM P640 o zakresie pomiarowym temperatury do 2500 C i zakresie spektralnym promieniowania 7,0 to 13,0 µm, pirometru wysokotemperaturowego IMPAC IS 140 o zakresie pomiaru temperatur od 550 C do 3300 C i zakresie spektralnym 0,7 do 1,1 µm, jak również za pomocą niestandardowego termoelementu W-Mo o zakresie pomiaru temperatury do C. Do rejestracji i akwizycji danych pomiarowych zastosowano wielokanałowy rejestrator Agilent 34970A. Pomiary bezdotykowe temperatur za pomocą kamery termowizyjnej oraz pirometru wymagały zbadania właściwości optycznych powierzchni badanych materiałów podłoża oraz warstw wierzchnich. W związku z tym wykonano badania widmowych zależności współczynnika odbicia powierzchni stopu tytanu (o powierzchni w stanie dostarczenia, polerowanej i silnie utlenionej) oraz warstw wierzchnich, mierząc składową dyfuzyjną i zwierciadlaną promieniowania o szerokim spektrum za pomocą spektrometru Ocean Optics PC2000-ISA-PC ze sferą Ulbrichta. Do rejestracji obrazu powierzchni nagrzewanej i nadtapianej za pomocą wiązki promieniowania laserowego zastosowano aparat cyfrowy Nikon D70s z dobranym doświadczalnie zestawem filtrów ściemniających. Wyniki badań doświadczalnych wykorzystano do opracowania przestrzennego (3D) modelu numerycznego z ruchomym źródłem ciepła i analizy przepływu ciepła oraz modelu dwuwymiarowego (2D) do analizy konwekcji na przekroju poprzecznym jeziorka. Topografię powierzchni zbadano za pomocą optycznego profilografu Micro Prof 100 FRT, natomiast chropowatość za pomocą testera SJ-210 Surftest. Badania mikrostruktury i morfologii warstw 12

13 wierzchnich wykonano za pomocą mikroskopii świetlnej (LM), elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) ze spektrometrem dyspersji energii (EDS), metodą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz pomiarów twardości na powierzchniach zgładów metalograficznych. Szczególną wartość naukową prezentują wyniki badań mikrostruktury i identyfikacji faz z zastosowaniem metody dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych (EBSD), która pozwoliła na precyzyjną identyfikację azotków tytanu TiNx o różnym stężeniu atomowym (współczynniku stechiometrycznym) na głębokości warstwy wierzchniej, niespotykanych wcześniej w literaturze naukowej. Do badań właściwości tribologicznych metodą ball-on-disk zastosowano tester T-01M. Z kolei do badań odporności warstw wierzchnich na zużycie erozyjne zastosowano urządzenie badawcze wykonane w Katedrze Spawalnictwa do badań zgodnie z normą ASTM G76. Wyniki badań doświadczalnych oraz analizy numerycznej procesu azotowania laserowego tytanu i stopu tytanu Ti6Al4V, jak również obszerna analiza literatury dotycząca stanu zagadnienia pozwoliły potwierdzić przyjętą tezę oraz osiągnąć założone cele pracy. Prezentowane wyniki kompleksowych badań zarówno procesu azotowania laserem HPDDL stopu tytanu Ti6Al4V, jak i badań właściwości warstw wierzchnich prowadzonych w bardzo szerokim zakresie są w pełni oryginalne, gdyż dostępne dotychczas nieliczne publikacje z zakresu azotowania tytanu i stopów tytanu wiązką lasera diodowego zawierają jedynie wyniki badań wybranych właściwości, w dodatku zazwyczaj w odniesieniu do pojedynczych warstw wierzchnich. Wyniki badań porównawczych laserowego azotowania za pomocą wiązki lasera diodowego HPDDL oraz lasera dyskowego Yb:YAG są oryginalne i nie spotykane wcześniej w literaturze. Wyniki te mają charakter poznawczy, gdyż pozwoliły wykazać, iż nawet w przypadku jednakowej szerokości obszaru oddziaływania promieniowania obydwu laserów na powierzchni stopu tytanu Ti6Al4V w atmosferze gazowej czystego azotu efekt nagrzewania, nadtapiania podłoża i azotowania jest całkowicie odmienny. Przyczyny tego zjawiska zostały omówione i wyjaśnione, co stanowi istotny wkład w poszerzenie wiedzy w tej tematyce. Opracowana autorska metodologia badania i analizy warunków cieplnych, z zastosowaniem bezkontaktowego pomiaru temperatury za pomocą kamery termowizyjnej oraz pirometru wysokotemperaturowego, wspomagana wynikami analizy numerycznej, pozwoliły na wyznaczenie temperatury stopu tytanu Ti6Al4V w stanie ciekłym (na powierzchni jeziorka) w warunkach nadtapiania wiązką lasera HPDDL w atmosferze gazu obojętnego argonu oraz 13

14 azotowania w atmosferze czystego azotu. Bezpośrednie pomiary temperatury powierzchni metalu w stanie ciekłym (jeziorka) w procesie laserowej obróbki powierzchniowej są niezwykle trudne z uwagi na niewielką objętość jeziorka, wysokie wartości temperatury maksymalnej, duże gradienty temperatury, zakłócenia pomiarów w wyniku rejestracji odbitego promieniowaniem laserowego, jak również zależność wyników pomiarów od wartości emisyjności powierzchni. Stąd też, uzyskane wyniki stanowią cenny materiał poznawczy, niedostępny dotychczas w literaturze. Badania widmowych zależności współczynnika odbicia od powierzchni warstw wierzchnich pozwoliły również na wyznaczenie stopnia absorpcji promieniowania laserowego, który w przypadku promieniowania lasera diodowego o dominującej długości fali 0,808 µm jest prawie dwukrotnie wyższy (50 57%) w temperaturze otoczenia na powierzchni azotowanej warstwy wierzchniej, w porównaniu do warstwy wierzchniej wytworzonej przez nadtopienie podłoża stopu tytanu w atmosferze gazu obojętnego argonu (zaledwie 28%). Wyniki te są również oryginalne i niedostępne dotychczas w literaturze. Z kolei w oparciu o prawo Kirchhoffa dotyczące promieniowania cieplnego i opisujące związek pomiędzy emisyjnością oraz absorpcyjnością powierzchni, jak również wyniki badań i pomiarów emisyjności, oszacowano stopień absorpcji promieniowania lasera diodowego o dominującej długości fali 0,808 µm na powierzchni nadtopionego stopu tytanu w warunkach nadtapiania laserowego w atmosferze gazu obojętnego argonu oraz azotowania w atmosferze gazowej czystego azotu. W literaturze nie prezentowano wcześniej takich wyników badań i pomiarów. Badania topografii powierzchni, mikrostruktury, morfologii oraz pomiary twardości warstw wierzchnich wytworzonych w bardzo szerokim zakresie parametrów i warunków technologicznych pozwoliły na określenie wpływu parametrów procesu azotowania stopu tytanu laserem HPDDL (głównie gęstości mocy i czasu oddziaływania wiązki laserowej) na grubość warstwy azotowanej, zmiany strukturalne, skład chemiczny i fazowy oraz sposób krystalizacji i wzrostu azotków tytanu w warstwie wierzchniej. Dzięki zastosowaniu między innymi zaawansowanej metody dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych (EBSD) ustalono, że twardość na przekroju warstwy wierzchniej azotowanej laserowo w stanie ciekłym (w wyniku nadtopienia podłoża) zależy nie tylko od udziału azotków tytanu w osnowie metalicznej, jak dotychczas podawano w literaturze, ale również od stężenia atomowego (współczynnika stechiometrycznego) azotków tytanu TiNx. Najwyższą twardość 14

15 zapewniają azotki tytanu TiN o idealnym stężeniu stechiometrycznym, których udział jest najwyższy w obszarze podpowierzchniowym warstwy wierzchniej. Uzyskane wyniki oraz ich interpretacja stanowi istotny wkład w poszerzenie wiedzy w tej tematyce. W oparciu o wyniki badań morfologii warstw wierzchnich, wyniki badań doświadczalnych i numerycznych warunków cieplnych w trakcie procesu azotowania stopu tytanu wiązką lasera HPDDL, dokonano analizy termodynamicznej procesu wydzielania i wzrostu azotków tytanu w warstwie wierzchniej podczas azotowania w stanie ciekłym (z nadtopieniem podłoża). Uwzględniając wartość entalpii reakcji tworzenia azotów tytanu w wyznaczonym zakresie temperatury, zależnie od parametrów procesowych, jak również obliczony udział azotków tytanu w jednostkowej objętości warstwy wierzchniej, wyznaczono udział energii cieplnej wydzielanej w wyniku przebiegu egzotermicznej reakcji wydzielania azotków w stosunku do energii liniowej wiązki laserowej w procesie azotowania. Uzyskane wyniki pozwoliły wyjaśnić zjawisko znacznie zwiększonej głębokości nadtopienia wiązką laserową podłoża tytanu i stopu tytanu w atmosferze gazowej azotu, w porównaniu do atmosfery gazu obojętnego argonu. Ustalono, że temperatury maksymalne zarejestrowane na powierzchni nadtopionego stopu tytanu w atmosferze azotu są wyższe nawet o 15% w porównaniu do atmosfery gazowej argonu, przy identycznych pozostałych parametrach procesowych. Wyższa wartość temperatury, jak i zwiększona głębokość nadtopienia podłoża jest efektem nie tylko dodatkowego ciepła reakcji egzotermicznej wydzielania azotków tytanu, jak powszechnie opisywano dotychczas w literaturze, lecz również znacznie wyższej wartości absorpcji promieniowania lasera diodowego w warunkach azotowania, w porównaniu do nadtapiania w atmosferze gazu obojętnego argonu. Wyznaczenie zależności pomiędzy morfologią warstw wierzchnich oraz warunkami cieplnymi procesu azotowania laserowego pozwoliło zidentyfikować różne etapy azotowania i wzrostu azotków tytanu w warstwie wierzchniej w różnych zakresach temperatur. W oparciu o analizę uzyskanych wyników, analizę termodynamiczną oraz analizę układu równowagi fazowej tytan - azot, zaproponowano i omówiono rozszerzony w stosunku do prezentowanych dotychczas w literaturze model azotowania laserowego tytanu w stanie stałym i ciekłym. Z kolei uzyskane wyniki badań tribologicznych oraz odporności erozyjnej warstw wierzchnich azotowanych, jak i podłoża czystego tytanu technicznego oraz stopu tytanu Ti6Al4V, wskazują nie tylko na możliwość poprawy właściwości użytkowych podłoża poprzez azotowanie laserowe, ale pozwoliły na określenie zależności pomiędzy morfologią, 15

16 twardością i grubością warstw wierzchnich, a mechanizmem i stopniem zużycia w zależności od warunków prób prowadzonych w szerokim zakresie. Wyniki uzyskane w ten sposób pozwalają na projektowanie warstw wierzchnich i dobór optymalnych warunków technologicznych procesu azotowania, w zależności od prognozowanych warunków pracy, obciążenia i mechanizmów zużycia. W związku z tym wyniki badań mają charakter poznawczy i aplikacyjny, gdyż stanowią podstawę do opracowania szczegółowych warunków technologicznych azotowania laserowego powierzchni roboczych części lub podzespołów wykonanych ze stopu tytanu Ti6Al4V. Na podstawie wyników badań własnych sformułowano następujące wnioski: 1. Stopień absorpcji promieniowania lasera HPDDL o długości fali 0,808 m na powierzchni warstw azotowanych w temperaturze pokojowej jest prawie dwukrotnie wyższy (A=50 57%) w porównaniu do stopnia absorpcji promieniowania na powierzchni warstw wierzchnich wykonanych poprzez nadtopienie stopu tytanu w czystym argonie (zaledwie A=28%). 2. Stopień absorpcji promieniowania o długości fali 0,808 m na powierzchni nadtopionego stopu tytanu Ti6Al4V w warunkach azotowania laserowego w czystym azocie jest o ok. 60% wyższy, niż w przypadku laserowego nadtapiania stopu tytanu w atmosferze czystego argonu. 3. Rodzaj atmosfery gazowej wywiera znaczny wpływ na warunki cieplne laserowego nadtapiania oraz laserowego azotowania podłoża stopu tytanu Ti6Al4V. Wyznaczone doświadczalnie temperatury oraz pola temperatur na powierzchniach nagrzewanych laserowo, jak również wyniki analizy numerycznej wskazują, że temperatura na powierzchni nadtopionego podłoża w czystym azocie jest o ok % wyższa, niż w atmosferze gazu obojętnego argonu, przy tych samych parametrach procesowych. 4. Wyższe temperatury nadtopionego podłoża podczas laserowego azotowania stopu tytanu w atmosferze bogatej w azot lub w czystym azocie prowadzą do zwiększenia głębokości przetopienia oraz objętości metalu w stanie ciekłym (tzw. jeziorka), w porównaniu do identycznych parametrów procesowych w atmosferze gazu obojętnego argonu. 5. Stwierdzono występowanie silnych ruchów konwekcyjnych nadtopionego metalu podłoża (jeziorka) podczas azotowania laserowego, gdy temperatura przekracza 2320 C. W takich warunkach ruchy konwekcyjne, nazywane też konwekcją Marangoni, zaczynają silnie oddziaływać na kształt linii wtopienia, proces wzrostu azotków oraz krystalizacji metalu (jeziorka). Wyniki analizy numerycznej procesu laserowego nadtapiania podłoża tytanu wykazały, że maksymalne prędkości ruchów ciekłego metalu sięgają ok. 0,229 m/s. 16

17 6. Prostokątny kształt wiązki lasera HPDDL o wymiarach ogniska 1,8 6,8 mm, równomierny rozkład energii promieniowania w kierunku poprzecznym krótszego boku ogniska wiązki laserowej o dominującej długości fali promieniowania 0,808 m jest korzystny w procesie azotowania laserowego stopu tytanu w stanie stałym i ciekłym, w porównaniu do kołowej wiązki lasera dyskowego Yb:YAG o większej długości fali 1,030 m. 7. Ognisko wiązki lasera HPDDL zapewnia równomierne nagrzewanie powierzchni przy jednakowym czasie oddziaływania promieniowania laserowego na przekroju ściegu prostego, w odróżnieniu od lasera dyskowego, jak również wyższy stopień absorpcji promieniowania o ok. 10,0 do 15,0% w przypadku azotowanych warstw wierzchnich. W dodatku, pomimo jednakowej szerokości obszaru oddziaływania promieniowania, gęstość mocy wiązki lasera dyskowego jest prawie trzykrotnie niższa niż w przypadku wiązki lasera HPDDL. 8. Azotowanie laserowe stopu tytanu laserem HPDDL pozwala na precyzyjne kształtowanie właściwości warstw wierzchnich azotowanych, takich jak grubość podpowierzchniowej strefy azotowanej, morfologii i twardości, chropowatości i topografii powierzchni, właściwości tribologicznych oraz odporności na zużycie erozyjne. Wszystkie warstwy wierzchnie azotowane laserem HPDDL w atmosferze gazowej czystego azotu, w zakresie badanych parametrów i warunków technologicznych, są wolne od nieciągłości strukturalnych, porowatości oraz pęknięć. 9. Energia liniowa azotowania laserowego, jako parametr procesowy, nie jest wystarczająca do identyfikacji lub prognozowania właściwości warstw wierzchnich azotowanych laserem HPDDL takich, jak głębokość nadtopienia podłoża, grubość strefy azotowanej, topografia oraz morfologia, itd. Wyższą dokładność zależności pomiędzy parametrami a właściwościami warstw wierzchnich zapewnia uwzględnienie gęstości mocy wiązki laserowej oraz czasu oddziaływania promieniowania laserowego na nagrzewanej powierzchni. 10. Azotowanie laserowe stopu tytanu Ti6Al4V w stanie ciekłym prowadzi do gwałtownego wzrostu zawartości azotu w strefie podpowierzchniowej. Krystalizacja nadtopionego podłoża (jeziorka) przebiega od górnej powierzchni, początkowo poprzez utworzenie na powierzchni cienkiej, lecz spójnej i jednorodnej warstwy azotków tytanu TiNx. Przy wyższych gęstościach mocy oraz dłuższych czasach oddziaływania wiązki laserowej, azotki TiNx narastają w postaci dendrytów w kierunku od górnej powierzchni w głąb nadtopionego podłoża (jeziorka). Jeśli temperatura nadtopionego podłoża przekracza 2320 C, to wydzielenia azotków -TiNx obecne są w jeziorku i w wyniku oddziaływania silnej konwekcji oraz turbulencji, stają się zarodkami krystalizacji i wzrostu azotków w 17

18 całej objętości jeziorka. Powyżej temperatury topnienia -TiN, wydzielenia azotków tytanu mogą przebiegać wyłącznie w fazie stygnięcia jeziorka. 11. Warstwy wierzchnie azotowane posiadają strukturę kompozytową (Titanium Matrix Composite), których górna powierzchnia pokryta jest cienką, spójną i jednorodną warstwą azotków tytanu TiNx, a strefa podpowierzchniowa złożona jest z dendrytycznych wydzieleń azotków tytanu TiNx osadzonych w osnowie metalicznej -Ti(N) przesyconej azotem. 12. Warstwy wierzchnie azotowane charakteryzują się wysoką twardością nawet do 2330 HV0,2 w strefie podpowierzchniowej, która stopniowo obniża się wraz ze wzrostem głębokości aż do twardości podłoża ze stopu tytanu Ti6Al4V ok HV0,2. Zawartość azotków tytanu -TiN o stężeniu stechiometrycznym zapewnia najwyższą twardość warstw wierzchnich. Udział azotków tytanu -TiN o stężeniu stechiometrycznym obniża się gwałtownie wraz z głębokością. 13. Warstwy wierzchnie azotowane posiadają znacznie niższy współczynnik tarcia (0,1 0,18 w przypadku powierzchni szlifowanych) w porównaniu do czystego tytanu technicznego (0,45) oraz stopu tytanu Ti6Al4V (0,36) i jednocześnie wykazują wyższą odporność na zużycie ścierne w warunkach tarcia suchego typu metal-metal. Zidentyfikowany dominujący mechanizm zużycia w warunkach prób to zużycie ścierno-adhezyjne. Najwyższą odporność na zużycie w warunkach próby stwierdzono w przypadku warstwy wierzchniej azotowanej przy najniższej mocy wiązki laserowej (najniższej energii liniowej), która charakteryzowała się też najniższą twardością. Tak, więc odporność na zużycie ścierne azotowanych warstw wierzchnich w warunkach prób jest odwrotnie proporcjonalna do twardości i grubości podpowierzchniowej strefy azotowanej, w przypadku wszystkich badanych warstw wierzchnich. 14. Odporność erozyjna (Re) wszystkich badanych warstw wierzchnich azotowanych jest wyższa niezależnie od kąta padania erodentu w porównaniu do podłoża stopu tytanu Ti6Al4V. Stop tytanu wykazuje cechy materiału ciągliwego, osiągając najwyższy ubytek masy przy najniższym kącie padania erodentu 15 w postaci cząstek tlenku glinu. Z kolei warstwy wierzchnie azotowane wykazują cechy materiału kruchego, osiągając najwyższy ubytek masy przy kącie

19 5. Pozostałe osiągnięcia naukowo-badawcze 5.1.Działalność prowadzona przed doktoratem W roku 1993 ukończyłem Technikum Mechaniczne w Rudzie Śląskiej o specjalności budowa i eksploatacja maszyn i urządzeń mechanicznych. Chęć kontynuacji nauki na studiach wyższych w obszarze zgodnym z moimi zainteresowaniami i pasją spowodowała, że w tym samym roku rozpocząłem studia magisterskie na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach na kierunku Mechanika i Budowa Maszyn. W czasie studiów moje zainteresowania skupiły się głównie na nowoczesnych technologiach spawalniczych i metalurgii procesów spawalniczych, dlatego wybrałem specjalność technologia i urządzenia spawalnicze. Pracę magisterską pod tytułem: Opracowanie kinetycznego modelu procesu absorpcji azotu w warunkach topienia łukowego, której promotorem był dr inż. Andrzej Gruszczyk, obroniłem w czerwcu 1998 roku. We wrześniu tego samego roku rozpocząłem pracę na stanowisku asystenta w Katedrze Spawalnictwa na Wydziale Mechanicznym Technologicznym kierowanej przez prof. zw. dr hab. inż. Andrzeja Klimpla. Miesiąc później rozpocząłem studia doktoranckie w dyscyplinie inżynieria materiałowa, dzięki czemu mogłem rozwijać swoje zainteresowania w obszarach technologii i metalurgii procesów spawalniczych. Promotorem mojego przewodu doktorskiego został profesor Andrzej Klimpel, który zaproponował mi tematykę badań dotyczącą analizy mechanizmów przenoszenia metalu w łuku przy spawaniu GMA. W okresie od stycznia do marca 1999 roku odbywałem staż naukowy w Anglii na Uniwersytecie Warwick w Warwick Manufacturing Centre w Coventry, w ramach międzynarodowego programu TEMPUS. Moim opiekunem naukowym w czasie stażu był dr Anthony Hoult, specjalista w zakresie zastosowania laserów w obróbce materiałów. W czasie stażu uczestniczyłem w pracach i badaniach prowadzonych przez dr A. Hoult a, które dotyczyły głównie zastosowania najnowszej generacji lasera diodowego dużej mocy HPDL o maksymalnej mocy wiązki laserowej 1,2 kw do obróbki powierzchniowej, napawania laserowego oraz łączenia tworzyw termoplastycznych i metali, w tym stalowych blach karoseryjnych ocynkowanych oraz badań właściwości mechanicznych i badań metalograficznych złączy próbnych, a także warstw wierzchnich i napoin. Wykorzystywany wtedy do badań laser HPDL był jednym z zaledwie kilku dostępnych ówcześnie podobnych urządzeń laserowych. W czasie stażu miałem też okazję poznać dr Friedricha Bachmanna, specjalistę w zakresie zastosowania technologii laserowych i budowy laserów diodowych dużej mocy. Spośród wielu badanych wtedy obszarów obróbki laserowej i możliwości 19

20 praktycznego zastosowania wiązki lasera HPDL nowej generacji, moje szczególne zainteresowanie skupił proces spawania złączy doczołowych cienkich blach karoseryjnych ocynkowanych, z uwagi na wysoką stabilność i powtarzalność procesu spawania oraz wysoką jakość złączy próbnych, nieosiągalną za pomocą stosowanych wtedy przemysłowo technologii zgrzewania elektrycznego oporowego, czy też spawania łukowego. Stąd też po powrocie do kraju postanowiłem zmienić temat i zakres badań pracy doktorskiej. Nawiązałem też kontakt z fabryką Fiata w Tychach, skąd otrzymałem próbki blach ze stali karoseryjnej do badań procesu spawania laserowego. W maju 1999 roku mogłem wrócić do Anglii na Uniwersytet Warwick i wykonać tam zaplanowane badania oraz próby technologiczne spawania laserowego złączy doczołowych i zakładkowych blach karoseryjnych ocynkowanych dwustronnie za pomocą unikalnego lasera HPDL najnowszej generacji. Następnie złożyłem wniosek do Komitetu Badań Naukowych o grant promotorski p.t.: Spawanie laserem diodowym blach stalowych ocynkowanych, który został rozpatrzony pozytywnie i skierowany do finansowania. Pozyskane w ten sposób środki pozwoliły mi na finansowanie dalszych badań oraz udział w konferencjach naukowych. Jednocześnie dzięki kontaktom z dr F. Bachmannem, pracownikiem niemieckiego koncernu ROFIN-SINAR, Katedra Spawalnictwa pozyskała pierwszy i przez wiele kolejnych lat jedyny w kraju laser diodowy HPDL o mocy maksymalnej aż 2,5 kw. Jednak uruchomienie stanowiska badawczego do obróbki laserowej wymagało zaprojektowania i zbudowania konstrukcji nośnej, układu pozycjonowania i układu sterowania wraz oprzyrządowaniem i urządzeniami peryferyjnymi. Mój wkład w budowę prototypowego stanowiska badawczego związany był z zaprojektowaniem, skonfigurowaniem i uruchomieniem automatycznego układu pozycjonowania 3D głowicy laserowej i detalu obrabianego, złożonego z trzech prowadnic liniowych oraz obrotnika, wyposażonych w serwonapędy i sterowanych za pomocą komputera PC. Uruchomienie prototypowego stanowiska badawczego z unikalnym laserem HPDL o mocy 2,5 kw pozwoliło mi na kontynuowanie oraz rozszerzenie badań nad technologią spawania laserowego blach karoseryjnych ocynkowanych. Oprócz badań związanych z doktoratem, uczestniczyłem też w wielu projektach i pracach naukowo-badawczych z zakresu technologii spawania laserowego różnych materiałów, napawania, stopowania i laserowej 20

21 obróbki powierzchniowej, ale również w zakresie konwencjonalnych technologii spawalniczych. Wyniki badań prezentowałem dwukrotnie na konferencji międzynarodowej Achievements in Mechanical and Materials Engineering w roku 1999 i 2000 (zał. 3 pkt. IIE poz. 3, 4, 7, 8) oraz w trzech artykułach opublikowanych w Przeglądzie Spawalnictwa (zał. 3 pkt. IIE poz. 2, 5, 6). W czasie studiów doktoranckich opublikowałem łącznie 7 artykułów. Pracę doktorską p.t.: Spawanie laserem diodowym blach stalowych ocynkowanych obroniłem z wyróżnieniem w maju 2001 roku przed Radą Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej. W lutym 2002 roku praca została również wyróżniona nagrodą w konkursie FIAT, w którym przyznano mi stypendium promocyjne FIATA (zał. 3 pkt. IIK poz. 2, 3). 5.2.Działalność prowadzona po uzyskaniu stopnia doktora Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych zostałem zatrudniony na stanowisku adiunkta w Katedrze Spawalnictwa Politechniki Śląskiej, gdzie pracuję do dziś. Początkowo moja działalność naukowo-badawcza związana była głównie z kontynuacją prac nad rozwojem technologii laserowych w zakresie spawania laserowego metali (zał. 3 pkt. IIE poz. 13, 16, 22) i tworzyw termoplastycznych (zał. 3 pkt. IIE poz. 14, 15), obróbki cieplnej i przetapiania laserowego stali narzędziowych (zał. 3 pkt. IIE poz. 10, 17, 21, 22) oraz napawania laserowego (zał. 3 pkt. IIE poz. 12, 18-20). Brałem też udział w badaniach warstw wierzchnich modyfikowanych wiązką laserową na podłożu stali nierdzewnej (AISI 304) oraz stopu tytanu (OT4), które zostały wykonane w czasie mojego pierwszego stażu naukowego w Anglii na Uniwersytecie Warwick. Wyniki podstawowych badań metalograficznych makro i mikroskopowych oraz pomiarów twardości warstw wierzchnich stopu tytanu OT4 azotowanych laserowo, które wykazały znaczny wzrost twardości w warstwie wierzchniej w wyniku azotowania, prezentowałem na konferencji Tytan i jego stopy oraz Sympozjum Techniki Laserowej w 2002 roku, jak również na Sympozjum Katedr i Zakładów Spawalnictwa w 2003 roku (zał. 3 pkt. IIL poz. 6, 11, pkt. IIIB, poz. 4). Efektem mojego udziału w Sympozjum Techniki Laserowej było opublikowanie kilku 21

22 artykułów współautorskich przez International Society for Optics and Photonics USA, w SPIE Proceedings, indeksowanych w bazie Web of Science (zał. 3 pkt. IIE poz. 24, 30-33). Na bazie tych podstawowych wyników badań metalograficznych powstał też patent p.t.: Sposób wytwarzania warstwy wierzchniej o wysokiej twardości na wyrobach z tytanu i jego stopach (zał. 3 pkt. IIC poz. 1) opracowany przez profesora Andrzeja Klimpla, którego jestem współtwórcą (mój udział wynosi 40%). Uczestniczyłem w wielu projektach i pracach naukowo-badawczych prowadzonych w Katedrze Spawalnictwa pod kierownictwem profesora Andrzeja Klimpla w obszarach technologii laserowych, jak i innych technologii spawalniczych, ukierunkowanych na zastosowanie w praktyce (zał. 3 pkt. IIB, F, J). We współpracy z dr inż. Januszem Adamcem i Aleksandrem Iwaniakiem z Katedry Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej oraz dr inż. Andrzejem Grabowskim z Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej prowadziłem badania procesu spawania laserowego stopów Ni-Al oraz stopu na bazie faz międzymetalicznych Fe- Al, jak również obróbki laserowej stopów metali lekkich na bazie aluminium i tytanu. Podejmowałem też samodzielne badania w zakresie obróbki laserowej, w tym stopowania laserowego warstw wierzchnich (zał. 3 pkt. IIE poz. 11). Uczestnicząc w międzynarodowej konferencji Achievements in Mechanical and Materials Engineering w 2002 roku nawiązałem współpracę z dr Francesco Curcio z Uniwersytetu Salerno we Włoszech w zakresie spawania laserowego złączy cienkich blach ze stopu tytanu Ti6Al4V o grubości 1,5 mm. Wyniki wspólnych badań zaprezentowałem podczas kongresu International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics 2004 w San Francisco, USA (zał. 3 pkt. IIL poz. 13, pkt. IIIB poz. 7, 8). Część próbek ze stopu tytanu Ti6Al4V o grubości 1,5 mm, pozyskanych z Uniwersytetu Salerno, wykorzystałem do własnych badań technologii azotowania laserowego, analizując wpływ parametrów i warunków technologicznych na zmiany struktury oraz odporność na zużycie erozyjne (zał. 3 pkt. IIE poz ). Intensywne prace nad rozwojem technologii laserowych, prowadzone w Katedrze Spawalnictwa, jak również rosnące zainteresowanie nowoczesnymi i zaawansowanymi technologiami laserowymi ze strony przemysłu krajowego pozwoliły na zakup w 2007 roku najnowocześniejszego ówcześnie lasera włóknowego dużej mocy HPFL SPI200C, o wysokiej jakości wiązki laserowej z prawie idealnie jednomodowym, gaussowskim rozkładem energii na przekroju ogniska wiązki laserowej. Stanowisko badawcze z nowym laserem włóknowym 22

23 HPFL zostało zaprojektowane i zbudowane na wzór prototypowego stanowiska z laserem diodowym, lecz wymagało dostosowania parametrów układu pozycjonowania do charakterystyki i wymiarów wiązki laserowej. Mój udział w budowie prototypowego stanowiska badawczego z laserem HPFL polegał na opracowaniu założeń technicznych stanowiska i doborze poszczególnych zespołów układu pozycjonowania oraz układu sterowania. Uruchomienie kolejnego stanowiska badawczego z laserem włóknowym HPFL pozwoliło na rozszerzenie zakresu badań i dalszy rozwój technologii laserowych, w tym również w obszarze azotowania laserowego stopu tytanu. Wyniki badań własnych w zakresie spawania i azotowania laserowego stopu tytanu Ti6Al4V za pomocą laserów o różnej charakterystyce oraz szczegółowa analiza literatury wykazały, że obróbka laserowa stopów tytanu, a w szczególności kształtowanie i poprawa właściwości warstw wierzchnich części i narzędzi ze stopów tytanu stanowi poważne wyzwanie technologiczne i jest aktualnym, wciąż rozwijanym zagadnieniem naukowobadawczym. Stąd też obróbka laserowa stopu tytanu Ti6Al4V stała się jednym z moich głównych obszarów zainteresowania i badań własnych (zał. 3 pkt. IIA poz. 12, 16, 18-20, 22, pkt. IIE poz. 72, 79, 84, 85, 87, 90, 91, 97, 98, 102, 103, 109, 114, pkt. IIL poz. 17, 20, pkt. IIIB poz. 32, 34, 35, 37, 38, 40, 42, 44, 45, 49, 50, 56, 61). Równolegle uczestniczyłem jako główny wykonawca lub wykonawca łącznie w 17 projektach badawczych, badawczo-rozwojowych, celowych i zamawianych (zał. 3 pkt. IIJ, IIIE). Tematyka tych projektów była związana głównie z kształtowaniem struktury i właściwości warstw wierzchnich za pomocą stopowania i przetapiania laserowego, obróbki laserowej, spawania i lutospawania laserowego, napawania laserowego nadstopów niklu i kobaltu oraz stopów tytanu, wytwarzania warstw kompozytowych i nanostrukturalnych, jak również zastosowania nanostrukturalnych materiałów węglowych, napawania plazmowego i GMA, spawania GMA stali o wysokiej wytrzymałości. Uczestnicząc w licznych projektach badawczych doskonaliłem i rozwijałem metodologię badań warunków cieplnych w procesach spawalniczych za pomocą pomiarów termowizyjnych i rejestracji temperatury, bezpośredniej rejestracji obrazu jeziorka spawalniczego, modelowania numerycznego z zastosowaniem skoncentrowanego i ruchomego źródła ciepła, badań mikrostruktury i identyfikacji faz za pomocą mikroskopii świetlnej, skaningowej mikroskopii elektronowej z zastosowaniem spektrometru dyspersji energii (EDS), dyfrakcji rentgenowskiej oraz dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych 23