Laboratorium badań materiałowych i technologicznych. dr inż. Tomasz Kurzynowski

Transkrypt

1 Laboratorium badań materiałowych i technologicznych dr inż. Tomasz Kurzynowski

2 Agenda Oferta badawcza Wyposażenie laboratorium Przykłady realizowanych badań Opracowanie i rozwój nowych materiałów Zastosowanie technologii SLM w przemyśle lotniczym

3 OFERTA BADAWCZA Realizacja badań i projektów z zakresu kontroli materiałowej oraz mechanicznej dla szerokiego spektrum materiałów inżynierskich (ceramika, polimery, metale i superstopy) przeznaczonych do zastosowań w różnych gałęziach przemysłu (motoryzacja, lotnictwo, medycyna, energetyka) wytwarzanych technologiami tradycyjnymi oraz addytywnymi (SLM, EBM,SLS,FDM itd..). badania makro i mikrostrukturalne z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej, elektronowej i konfokalnej określanie właściwości mechanicznych metali, kompozytów, tworzyw sztucznych itp. (liniowy i powierzchniowy rozkład mikro i makro twardości, pomiar cienkich warstw, statyczna próba rozciągania, próby zmęczeniowe), analiza propagacji pęknięć z wykorzystaniem kamery szybkiej, analiza składu chemicznego w wykorzystaniem mikroskopii elektronowej + EDX, pomiary topografii powierzchni 2D i 3D (falistość, chropowatość, obliczenia powierzchni rzeczywistej), analizy materiałów proszkowych (rozkład średnic cząstek, pomiar mieszanin cząstek proszków, określanie kształtów), wykonujemy opracowania i analizy materiałowe, technologiczne i inspekcyjno-pomiarowe.

4 WYPOSAŻENIE LABORATORIUM URZĄDZENIA Nasze laboratorium posiada: Mikroskop konfokalny OLS4000, mikroskop laserowy umożliwiający wykonywanie pomiarów oraz analizę topografii powierzchni 3D, Elektronowy mikroskop skaningowy ZEISS, mikroskop umożliwiający uzyskanie powiększeń nawet rzędu miliona, dodatkowo system EDS umożliwia wykonanie analizy składu chemicznego badanego obiektu, Interferometr Taylor Hobson, urządzenie służy do tworzenia profili 3D w celu wyznaczenia podstawowych charakterystyk powierzchni, Twardościmierz Wilson Wolpert 432SVD, pomiary twardości w zakresie obciążenia do 30 kg, Mikrotwardościomierz Zwick Roel, pomiary twardości i mikrotwardości (min. obciążenie 25 g), pomiar powłok i cienkich warstw, Kompletny system do preparatyki próbek, m.in. wyposażony w szlifierkopolerki, przecinarki, inkludarkę próżniową, Kamerę szybkoklatkową Phantom v710, urządzenie umożliwia nagrywanie z szybkością rejestracji do 1,4 mln fps Statyczną i dynamiczną maszynę wytrzymałościową firmy INSTRON, zakres obciążeń do 150kN z możliwością wykonywania badań na rozciąganie, ściskanie i zginanie

5 WYPOSAŻENIE LABORATORIUM URZĄDZENIA ReaLizer SLM 50 ReaLizer SLM 250 Arcam EBM A1

6 STANDARDOWY PLAN REALIZACJI BADAŃ

7

8 Przykłady realizowanych badań

9 PRZYGOTOWANIE PRÓBEK

10 Analiza materiałów w postaci proszku - SEM a b c d Identyfikacja kształtu i rozmiarów cząsteczek: a) proszek tytanu; b) proszek renu

11 Analiza mikrostruktury a c e b d c f Przykładowe obrazy mikrostruktur próbek wytworzonych za pomocą technologii SLM: a,b) Al12Si; c,d) Inconel 718; e) kompozyt Ti + węglik wolframu, f) Al12Si. SLM

12 Analiza mikroskopowa powierzchni- SEM Analiza rozprzestrzeniania się pęknięć w próbce wolframu po przetopieniu laserem. SLM

13 Mikroskopowa analiza powierzchni 3D - SEM Trójwymiarowy obraz powierzchni uzyskany na podstawie obrazów SEM (ALICONA). Fe 2 O 3 na płycie ze stali niskowęglowej.

14 Analiza mikroskopowa powierzchni. Badania fraktograficzne. SEM Przykładowe obrazy warstw tlenkowych na prętach wykonanych ze stali niskowęglowej. Przykładowe obrazy przełomów próbek po przeprowadzonych testach wytrzymałościowych, próbka wykonana z superstopu na bazie niklu (Inconell 718). SLM

15 Analiza mikroskopowa powierzchni wirnika (stop tytanu Ti6Al4V)

16 Pomiary geometryczne powłok Mikroskop Konfokalny a b Określanie właściwości powłoki napawanej w procesie napawania laserowego (laser cladding) a) pomiary geometryczne (przekrój poprzeczny napoiny wielościegowej); b) pomiary geometryczne napoiny pojedynczej

17 Ti-Re Pomiary cech geometrycznych warstw napawanych Mikroskop Konfoklany Multilayer rhenium clad Substrate material Wielowarstwowa napoina (ren na podłożu tytanowym), przekrój poprzeczny. Mikroskop Konfoklany. Jakościowa ocena powierzchni próbki (odchyłki w postaci mapy kolorów) Obraz powierzchni próbki (warstwy napawanej) Ra Rz Rp Rv Rt [µm] [µm] [µm] [µm] [µm] 3,14 28,69 18,97 9,71 51,3 Histogram uzyskany w wyniku pomiaru chropowatości powierzchni warstwy napawanej (λc = 800 µm) wraz z wynikami

18 Laser Cladding (Re) Analiza mikrostruktury SEM Vp= 2,87 g/min, P= 900W Vp= 13,79 g/min, P= 1300W Vp= 8,62 g/min, P= 1700W Vp= 13,79 g/min, P= 1700W Przykładowe obrazy mikroskopowe napoin renowych wykonanych na podłożu tytanowm (Ti Grade 2) (przekroje poprzeczne)

19 Analiza składu chemicznego - SEM a b Przykład wykonanej jakościowej analizy chemicznej na skaningowym mikroskopie elektronowym z wykorzystaniem detektora EDX; a) Analizowany element; b) Przekrój próbki; c) Rozkład poszczególnych pierwiastków; d) Charakterystyka widmowa i ilościowe wyniki analizy chemicznej; c d

20 Analiza mikroskopowa próbek biologicznych a c b Analiza mikrobiologiczna, a) Bakterie szczepu S. aureus na powierzchni struktur wykonanych ze stopu Ti6Al7Nb, SEM, b) komórki osteoblastów na powierzchni skafoldów,sem c) bakterie S. aureus na powierzchni próbek polimerowych, Mikroskop Konfokalny

21 Pomiary twardości i mikrotwardości a b c Przykłady wykonanych pomiarów twardości, : a) matryca z 5 odciskami - metoda Vickersa, HV0,3; b) pojedynczy odcisk, HV0,3; c) metoda Knoopa, HK0,1

22 Określanie właściwości mechanicznych metali, tworzyw sztucznych, kompozytów a b c a, b) Przykład statycznej próby ściskania. Próbka wytworzona ze stopu Ti6Al7Nb. c) Geometria próbek do statycznej próby rozciągania.

23 Tomografia komputerowa CT Informacja o wewnętrznej geometrii obiektu uzyskana na podstawie rekonstrukcji CT pozwala na wyznaczenie najbardziej reprezentatywnego miejsca w badaniach metalograficznych. Badany element Skanowanie CT, rekonstrukcja, analiza Wybór obszaru do badań materiałowych Przekrój metalograficzny z reprezentatywny m obszarem Przekrój metalograficzny Dane CT z zaznaczonym obszarem o największej porowatości

24 Analiza porowatości - CT Tomografia komputerowa pozwala na określenie porowatości w elementach produkowanych generatywnie (warstwowo) za pomocą technologii Selective Laser Melting (SLM). Dzięki temu możliwa jest analiza wpływu parametrów procesu na gotowy element. Próbki stalowe (316L)

25 Trzypunktowa próba zginania a c Napoina b Przykład pomiaru: a) Obraz próbki w trakcie testu, b) próbka po wykonanej próbie, c) wyznaczona charakterystyczna krzywa zginania

26 Opracowanie i rozwój nowych materiałów

27 Technologie addytywne mają wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi technikami produkcji, wśród których należy wymienić: krótszy czas produkcji, wysoką dokładność komponentów, elastyczność, możliwość produkcji elementów w pełni funkcjonalnych o złożonej strukturze wewnętrznej na bazie proszków metali, brak konieczności wykonywania procesów pośrednich w procesie produkcyjnym. Technologie takie jak SLM i EBM umożliwiają uzyskanie unikalnych właściwości funkcjonalnych produkowanych elementów przeznaczonych do pracy w trudnych (termiczne, mechaniczne i korozyjne) warunków pracy, dzięki zastosowaniu nietypowych materiałów (np. kompozytów Ti-Re), aby zapewnić unikalne połączenie właściwości materiału.

28 Wyposażenie ReaLizer SLM 50 ReaLizer SLM 250 Arcam EBM A1

29 Parametry procesu SLM Trzy zestawy próbek (2%, 4%, 6% Re proporcje proszku renu po procesie sferoidyzacji plazmowej, w odniesieniu do 1 kg proszku Ti) Strategia skanowania: PARAMETRY ZMIENNE Ti-Re 2% Ti-Re4% Ti-Re6% Moc lasera 100 W 100 W 100 W Grubość warstwy 75µm 75µm 75µm Odległość pomiędzy punktami skanowania 60µm 60µm 60µm Czas ekspozycji 520µs 2500µs 520µs 2500µs 520µs 2500µs Odległość pomiędzy liniami skanowania 100µm 100µm 100µm

30 Analiza kompozytów Ti-Re - CT Określanie ilości dodatku stopowego (renu) w materiale kompozytowym tytan-ren Przekrój 2D z widocznymi wtrąceniami Widok 3D materiału matrycy (tytanu) i cząstek proszku renu Rozmieszczenie nierozpuszczonych cząstek renu

31 Badania wytrzymałościowe statyczna próba rozciągania Geometria próbek przeznaczonych do badań wytrzymałościowych (SLM): Wymiar próbki: 4,94x2,07x24,07 Przykładowe charakterystyki (wartość naprężenia w funkcji odkształcenia) uzyskane w trakcie próby: Stop Ti-Re 2% Stop Ti-Re 6%

32 Dziękuję za uwagę Tomasz Kurzynowski Politechnika Wrocławska Wydział Mechaniczny Katedra Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych CAMT-FPC ul. Łukasiewicza Wrocław / tomasz.kurzynowski@pwr.edu.pl