ZAŁĄCZNIK 2 AUTOREFERAT przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych, w szczególności określonych w art. 16 ust. 2 ustawy w formie papierowej w języku polskim dr inż. Anna Janina Dolata Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Instytut Nauki o Materiałach Zakład Ceramiki i Kompozytów Politechnika Śląska Katowice, listopad 2016
SPIS TREŚCI Wyszczególnienie Strona 1. Imię i Nazwisko 3 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe 3 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych 4 4. Wskazanie osiągniecia wynikającego z 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. nr 65, poz. 595 z późn. zm.) 4.1. Omówienie najważniejszych osiągnięć zawartych w pracach wykazywanych jako podstawa postępowania habilitacyjnego wraz ze wskazaniem ich ewentualnego wykorzystania 4 6 4.1.1. Wprowadzenie i cel badań 6 4.1.2. Zakres badań 9 4.1.3. Omówienie założeń i wyników zrealizowanych prac badawczych 10 4.1.4. Podsumowanie 18 5. Pozostałe osiągnięcia naukowo-badawcze 21 5.1. Działalność prowadzona przed doktoratem 21 5.2. Działalność prowadzona po doktoracie 23 6. Działalność dydaktyczna 35 7. Działalność organizacyjna 37 8. Osiągnięcia zgodnie z wymogami Rozporządzenia Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 1 września 2011 roku w sprawie kryteriów oceny osiągnięć osoby ubiegającej się o nadanie stopnia doktora habilitowanego (Dz.U. Nr 196, poz. 1165) 39 2
1. Imię i nazwisko Anna Janina Dolata 1 2. Posiadane dyplomy i stopnie naukowe Uzyskany tytuł: Magister inżynier Rok uzyskania: 1996 Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu Kierunek: Inżynieria Materiałowa Specjalność: Kompozyty i Tworzywa Sztuczne Temat pracy dyplomowej magisterskiej: Wytwarzanie kompozytowych odlewów warstwowych w układzie stop aluminium cząstki ceramiczne Promotor: Prof. dr hab. inż. Józef Śleziona, Politechnika Śląska Uzyskany stopień: Doktor nauk technicznych Rok uzyskania: 2003 Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Dyscyplina naukowa: Inżynieria Materiałowa Specjalność: Inżynieria Materiałowa Temat pracy doktorskiej: Kształtowanie struktury kompozytów Al-cząstki ceramiczne w procesie odlewania odśrodkowego Promotor: Prof. dr hab. inż. Józef Śleziona, Politechnika Śląska Recenzent zewnętrzny: Prof. dr hab. inż. Janusz Braszczyński, Politechnika Częstochowska Recenzent wewnętrzny: Prof. dr hab. inż. Izabela Hyla, Politechnika Śląska Praca wyróżniona uchwałą Rady Wydziału Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej Studia podyplomowe w zakresie Zarządzanie Organizacjami Rok uzyskania: 2005 Politechnika Śląska, Wydział Organizacji i Zarządzania Temat pracy dyplomowej: Koncepcja materiałowo - technologiczna produktu nowej generacji na przykładzie materiału kompozytowego Promotor: dr inż. Seweryn Tchórzewski 1 Do 1998 roku nazwisko: Grosz; do 2011 roku nazwisko: Dolata-Grosz; od 2012 nazwisko: Dolata 3
Studia podyplomowe w zakresie Menadżer Badań Naukowych i Prac Rozwojowych Rok uzyskania: 2012 Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji w Lublinie Temat pracy dyplomowej: Plan aplikacyjnego projektu badawczego: Opracowanie technologii wytwarzania lokalnie zbrojonych elementów konstrukcyjnych do pracy w złożonym stanie obciążeń Promotor: dr Andrzej Bobyk 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Od 1 lutego 1997 na stanowisku asystenta w Katedrze Technologii Stopów Metali i Kompozytów na Wydziale Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu Politechniki Śląskiej w Gliwicach; Od 1 maja 2003 na stanowisku adiunkta w Katedrze Technologii Stopów Metali i Kompozytów na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej w Gliwicach; Od 1 września 2009 na stanowisku adiunkta w Katedrze Technologii Materiałów na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej w Gliwicach; Od 1 września 2013 na stanowisku adiunkta w Instytucie Nauki o Materiałach w Zakładzie Ceramiki i Kompozytów na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej w Gliwicach. 4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z 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. Nr 65, poz. 595 ze zm.) Jako osiągnięcie naukowe, uzyskane po otrzymaniu stopnia doktora, stanowiące znaczny wkład w rozwój dyscypliny naukowej Inżynieria Materiałowa określone w art. 16. ust. 2 Ustawy, wskazuję wyniki badań przedstawione w cyklu publikacji powiązanych tematycznie z zagadnieniem: Kształtowanie funkcjonalnej struktury warstwy kompozytowej w odlewach o osnowie stopów aluminium w procesach odlewania do form wirujących Cykl publikacji wchodzących w skład osiągnięcia naukowego: 1. A. Dolata-Grosz, J. Śleziona, B. Formanek, Aluminium matrix cast composite (AMCC) with hybrid reinforcement, Archives of Foundry 5 (2005) 15, pp. 70-77, [MNiSW 6/15***] 2. A. Dolata-Grosz, B. Formanek, J. Śleziona, Otrzymywanie AMCs w połączonych procesach odlewania i metalurgii proszków, Kompozyty (Composites) 6 (2006) 1, s. 8-14, [MNiSW 6/11***] 3. A. Dolata-Grosz, B. Formanek, J. Śleziona, J. Wieczorek, Struktura heterofazowych aluminiowych odlewów kompozytowych zawierających węgliki chromu i tytanu, Kompozyty (Composites), 5(2005)3, s. 81-85, [MNiSW 6/11***] 4
4. A. Dolata-Grosz, J. Wieczorek, Tribological properties of hybrid composites containing two carbide phases, Archives of Materials Science and Engineering 28 (2007) 3, pp. 149-155, [MNiSW 6/13***] 5. A. Dolata-Grosz, M. Dyzia, J. Śleziona: Structure and technological properties of AlSi12 (SiC+Cgp) composites, Archives of Foundry Engineering, 8 (2008) 1, pp. 43-46, [MNiSW 6/15***] 6. A. Dolata-Grosz, M. Dyzia, J. Śleziona: Solidification curves and structure of heterophase composite, Archives of Materials Science and Engineering, 29 (2008) 1, pp. 10-15, [MNiSW 6/13***] 7. A. Dolata-Grosz, J. Śleziona, J. Wieczorek, Tribological consequences of kind, size and segregation of heterophase reinforcement development by centrifugal casting, Inżynieria Materiałowa NR 3-4 (157-158), 2007, pp. 762-767, [MNiSW 6/13***] 8. J. Śleziona, A. Dolata-Grosz, M. Dyzia, J. Wieczorek: Kształtowanie struktury i właściwości kompozytów AK12/SiC, AK12/C i AK12/SiC+C w różnych procesach odlewania, Rozdział w monografii: Innowacje w Odlewnictwie, część III pod redakcją Jerzego Sobczaka, Instytut Odlewnictwa, Kraków (2009), s. 141-152, ISBN 978-83-88770-45-6. [MNiSW 3/5***] 9. Anna J. Dolata: Hybrid Composites Shaped by Casting Methods, in Light Metal and their Alloys III Technology, Microstructure and Properties, Solid State Phenomena Vol. 211 (2014) pp. 47-52, DOI:10.4028/www.scientific.net/SSP.211.47, [MNiSW 10/0***] 10. Anna J. Dolata: Structure of aluminium matrix composite with ceramic preform obtained by centrifugal infiltration process, in Technologies and Properties of Modern Utility Materials XXI, Solid State Phenomena Vol. 212 (2014) pp. 7-10, DOI:10.4028/www.scientific.net/SSP.212.7, [MNiSW 10/0***] 11. Anna J. Dolata: Centrifugal castings locally reinforced with porous Al 2 O 3 preform, Archives of Metallurgy and Materials, 59 (2014) 1, pp. 345-348, DOI: 10.2478/amm-2014-0057, [MNiSW 25/30***; IF 1,09] 12. Anna J. Dolata, Centrifugal infiltration of porous ceramic preforms by the liquid Al alloy - theoretical background and experimental verification, Archives of Metallurgy and Materials, 61 (2016) 1, pp. 411-418, DOI: 10.1515/amm-2016-0075, [MNiSW 30; IF 1,09*] 13. Anna J. Dolata, Fabrication and Structure Characterization of Alumina-Aluminum Interpenetrating Phase Composites, Journal of Materials Engineering and Performance, 25 (2016) 8, pp. 3098-3106, DOI: 10.1007/s11665-016-1901-2 [MNiSW 20; IF 1,094**] *IF z roku 2014, **IF z roku 2015, ***MNiSW z roku 2015 Istotny, autorski wkład do nauki w obszarze dyscypliny naukowej Inżynieria Materiałowa przedstawianego osiągnięcia stanowi opracowanie rozwiązań materiałowo - technologicznych w zakresie wytwarzania funkcjonalnej struktury warstwy kompozytowej w odlewach o osnowie stopów Al z wykorzystaniem zjawisk zachodzących w trakcie odlewania odśrodkowego w osi pionowej, a także wykorzystania ciśnienia generowanego siłą odśrodkową w czasie wirowania formy do infiltracji porowatych preform ceramicznych, które docelowo kształtują lokalną warstwę zbrojącą o strukturze perkolacyjnej. Należy podkreślić, że zastosowanie technologii odlewniczych, wykorzystujących ciśnienie 5
wywołane działaniem siły odśrodkowej, pozwala uzyskać odlewy precyzyjne o wysokiej dokładności wymiarowo - kształtowej (ang. near net shape castings). Z kolei wykorzystanie nowych faz wzmacniających w postaci korundowych szkieletów ceramicznych o znanej strukturze przestrzennej oraz zawiesin heterofazowych typu: Al/NiCr/Cr 3 C 2 +TiC, Al/SiC+C, Al/Al 2 O 3 +C, zawierających cząstki ceramiczne o różnej wielkości, morfologii i odmiennych właściwościach fizykochemicznych, pozwala uzyskać nową funkcjonalność wyrobu. Wymiernym efektem zrealizowanych prac badawczych są odlewy kompozytowe, wzmocnione lokalnie fazami ceramicznymi w postaci cząstek lub porowatych szkieletów ceramicznych, o podwyższonej twardości i oczekiwanych właściwościach tribologicznych w obszarze warstwy kompozytowej. 4.1. Omówienie najważniejszych osiągnięć zawartych w pracach wykazywanych jako podstawa postępowania habilitacyjnego wraz ze wskazaniem ich ewentualnego wykorzystania 4.1.1.Wprowadzenie i cel badań Materiały kompozytowe należą do grupy materiałów inżynierskich, w których szczególną rolę odgrywają główne założenia inżynierii materiałowej wiążące zależności pomiędzy strukturą, właściwościami a technologią wytwarzania. Poprzez odpowiedni dobór rodzaju, wielkości i udziału objętościowego komponentów zbrojących oraz sposobu wytwarzania możliwe jest uzyskanie materiałów o szczególnych właściwościach. Na przykład wprowadzenie do stopu AlSi twardych faz ceramicznych typu Al 2 O 3 lub SiC pozwala na uzyskanie materiału o podwyższonej odporności na zużycie w warunkach tarcia, a cząstek grafitu lub miki zapewnia dobre właściwości ślizgowe. Natomiast zastosowanie faz dyspersyjnych typu TiC pozwala na podwyższenie granicy plastyczności i wzrost odporności na pełzanie, co umożliwia ich wykorzystanie w warunkach podwyższonej temperatury. Duże nakłady finansowe na prace badawcze zrealizowane w latach 80-tych i 90-tych XX wieku zaowocowały uruchomieniem produkcji aluminiowych kompozytów odlewanych zbrojonych cząstkami węglika krzemu lub tlenku aluminium przez firmę Alcan Aluminium Corporation, która obecnie wchodzi w skład korporacji 3A Composites. Z raportów publikowanych na stronach BCC Research 2 wynika, że rynek 2 http://www.slideshare.net/researchmoz/metal-matrix-composites-mmc-market-research-report-2013-2019 6
metalowych materiałów kompozytowych (MMC) od wielu lat wykazuje tendencję wzrostową. Główne obszary zastosowań tych materiałów, to: przemysł motoryzacyjny, lotniczy i elektrotechniczny. Prognozy wskazują, że w 2019 r. globalny rynek MMC osiągnie wartość 282 mln dolarów, a kompozyty o osnowie stopów aluminium (AlMMC) będą stanowiły znaczną jego część. Także analiza światowej gospodarki i jej dalszych tendencji rozwojowych wskazuje na stale zwiększający się udział odlewnictwa jako techniki przetwarzania i wytwarzania wyrobów metalowych, w tym odlewów kompozytowych. Nadal jednak istotnym ograniczeniem szerszego zastosowania materiałów kompozytowych są koszty produkcji, a przede wszystkim koszty obróbki mechanicznej kształtującej gotowy wyrób. Należy nadmienić, że poprawa właściwości użytkowych niektórych części maszyn, takich jak: tuleje, tłoki czy łożyska jest związana głównie z odpowiednim ukształtowaniem struktury i właściwości wybranych obszarów, szczególnie tych narażonych na pracę w złożonym stanie obciążeń. W skojarzeniach tribologicznych, od których wymagana jest wysoka twardość i odporność na zużycie powierzchni współpracujących, na skalę przemysłową stosowane są obecnie lokalne zbrojenia w postaci nadlewów kompozytowych na wybrane powierzchnie materiału lub infiltrowane preformy ceramiczne. Przykładem praktycznego wykorzystania tego typu rozwiązań są lokalnie wzmocnione tłoki i bloki silników wytwarzane w procesach wysokociśnieniowej infiltracji preform ceramicznych ciekłym stopem Al. Tego rodzaju elementy kompozytowe wykorzystano do produkcji tulei cylindrowych w silnikach Hondy Prelude 2.3 L i Toyoty Celica. Zastosowanie preformy z 12 % udziałem krótkich włókien Al 2 O 3 i 9 % udziałem włókien węglowych pozwoliło na obniżenie masy bloku silnika, poprawę warunków chłodzenia oraz zmniejszenie zużycia w warunkach tarcia. Należy jednak podkreślić, że w porównaniu z metodami odlewniczymi, metody infiltracji wysokociśnieniowej są o 1/3, a w produkcji wielkoseryjnej nawet o połowę droższe. Dlatego też nadal wiele ośrodków naukowych, zarówno krajowych jak i zagranicznych, prowadzi prace badawcze mające na celu opracowanie wydajnych i ekonomicznych procesów wytwarzania wyrobów z kompozytów AlMMC. Motywacją do kontynuacji badań w tym zakresie jest duże zainteresowanie ze strony przemysłu, zwłaszcza motoryzacyjnego, którego rozwój zależy w znacznej mierze od stosowania kluczowych technologii bazujących na najnowszej wiedzy i wynikach prac badawczych z zakresu szeroko pojętej inżynierii materiałowej. Szybkie tempo rozwoju wielu nowoczesnych gałęzi przemysłu jest wyznaczane możliwościami technologii 7
materiałowych, zarówno technologii przyrostowych i technologii wyłaniających się. Pierwsze powstają na bazie nowatorskich rozwiązań materiałowych i towarzyszących im opracowań technologicznych, umożliwiających wytwarzanie unikatowych materiałów funkcjonalnych. Z kolei rozwój technologii przyrostowych jest ukierunkowany na stopniowe doskonalenie istniejących już rozwiązań i rozszerzanie możliwości ich aplikacyjnego wykorzystania w różnych obszarach gospodarki. Nowe kierunki prac badawczych w zakresie technologii materiałowych obejmują działania prowadzące do opracowania efektywnych metod wytwarzania kompozytów o celowo ukształtowanej, niejednorodnej strukturze warstwowej lub gradientowej, zapewniającej stopniową (ciągłą) lub dyskretną (skokową) zmianę właściwości, o strukturze perkolacyjnej o dwóch wzajemnie przenikających się fazach oraz kompozytów wielofazowych (hybrydowych, heterofazowych) zbudowanych z trzech lub więcej składników, zawierających osnowę i różne co do właściwości typy zbrojenia. Duży nacisk kładzie się na rozwój technologii net shape lub near net shape, które pozwalają wyeliminować lub w znacznym stopniu ograniczyć konieczność stosowania obróbki wykończeniowej wyrobów, tym samym zmniejszyć ilość odpadów, a finalnie obniżyć koszty produkcji. W zakres tych prac wpisują się wyniki badań własnych, które zostały przedstawione w cyklu publikacji dotyczącym możliwości kształtowania funkcjonalnej struktury warstwy kompozytowej w odlewach o osnowie stopów aluminium w procesach odlewania do form wirujących. Celem naukowym zrealizowanych badań, przedstawionych w pracach [1-13], było kształtowanie funkcjonalnej struktury warstwy kompozytowej z wykorzystaniem zjawisk fizykochemicznych zachodzących w czasie procesów odlewania do form wirujących oraz opracowanie podstaw technologii wytwarzania i dobór składu fazowego lokalnej warstwy kompozytowej, zawierającej zbrojenie jednoi wielofazowe, w odlewach o osnowie stopów Al przeznaczonych do pracy w warunkach tarcia. Celem aplikacyjnym było uzyskanie aluminiowych odlewów kompozytowych, wzmocnionych lokalnie fazami ceramicznymi w postaci cząstek lub porowatych szkieletów ceramicznych, o podwyższonej twardości i oczekiwanych właściwościach tribologicznych w obszarze warstwy kompozytowej. 8
4.1.2. Zakres badań W cyklu publikacji opisano zagadnienia związane z wytwarzaniem oraz kształtowaniem struktury i właściwości trzech grup materiałów kompozytowych o osnowie stopów Al, różniących się wielkością, postacią i rodzajem stosowanego zbrojenia: A. kompozyty in situ, w których jako nośnik zbrojenia wykorzystano reaktywne proszki kompozytowe, wytworzone w procesie samorozwijającej się syntezy wysokotemperaturowej, zawierające cząstki węglika chromu (Cr 3 C 2 ) i węglika tytanu (TiC) oraz fazę roztworu stałego NiCr; (Al/NiCr/Cr 3 C 2 +TiC), [1-4]; B. kompozyty ex situ, w których jako zbrojenie wykorzystano mieszaniny cząstek węglika krzemu lub tlenku aluminium w połączeniu z cząstkami węgla szklistego; (Al/Al 2 O 3 +C) lub (Al/SiC+C), [5-9]; C. kompozyty, w których jako zbrojenie wykorzystano porowate preformy ceramiczne w postaci korundowych szkieletów o różnej wielkości porów i znanej przestrzennej strukturze; (Al/Al 2 O 3 ), [10-13]. W procesie projektowania składu i budowy materiału kompozytowego przeznaczonego do współpracy tribologicznej istotne są zarówno czynniki zewnętrzne, wymuszające określony zespół reakcji materiału, w tym: obciążenie, temperatura pracy, rodzaj smarowania lub jego brak, prędkość ruchu, obecność drgań, jak również szeroki zespół właściwości strukturalnych materiału, tj.: rodzaj osnowy, a przede wszystkim rodzaj, udział, wielkość oraz morfologia fazy zbrojącej. Każdy z tych czynników wpływa w sposób bezpośredni na trwałość i niezawodność węzła tribologicznego. Zakres zrealizowanych badań własnych obejmował zarówno prace koncepcyjne, technologiczne oraz badawcze, które umożliwiły poznanie zależności między strukturą, właściwościami i technologią wytwarzania warstwy kompozytowej przeznaczonej do współpracy w skojarzeniach ciernych. Do kształtowania struktury funkcjonalnych warstw kompozytowych zastosowano metody odlewania do form wirujących wykorzystując działanie siły odśrodkowej generowanej ruchem obrotowym formy. W pracach eksperymentalnych wykorzystano proces odlewania odśrodkowego właściwego w osi pionowej, w którym oś odlewu pokrywa się z osią wirowania formy oraz metodę odlewania z ciśnieniem wynikającym z działania siły odśrodkowej, stosowaną w praktyce odlewniczej do 9
wytwarzania odlewów o rozwiniętym kształcie, które same lub łącznie nie są ciałami obrotowymi. Zawiesiny kompozytowe wytworzono w oparciu o zmodyfikowaną metodę mechanicznego mieszania (stir casting). Do opisu makro- i mikrostruktury wytworzonych materiałów kompozytowych zastosowano szereg technik badawczych, jak: mikroskopia świetlna, ilościowa analiza obrazu, skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM, EDS), analiza termiczna, mikroanaliza rentgenowska oraz mikrotomografia komputerowa. Wyznaczono również główne właściwości użytkowe ukształtowanych warstw kompozytowych, w tym właściwości tribologiczne (współczynnik tarcia, zużycie), wytrzymałość na ściskanie oraz twardość odlewów. 4.1.3. Omówienie założeń i wyników zrealizowanych prac badawczych Ad A. W pracach [1-4] przedstawiono zagadnienia związane z wytwarzaniem nowych, wielofazowych odlewów kompozytowych z dyspersyjnym umocnieniem fazami ceramicznymi i międzymetalicznymi. O właściwościach kompozytu, obok charakterystyk mechanicznych i fizycznych łączonych komponentów, decydują udział objętościowy, wielkość i rozmieszczenie zbrojenia w osnowie. Oczekiwany wzrost wielu właściwości użytkowych jest wprost proporcjonalny do rosnącego udziału objętościowego cząstek zbrojących i odwrotnie proporcjonalny do ich rozmiaru. Z kolei, wraz ze wzrostem udziału objętościowego komponentów ceramicznych (zwykle powyżej 15 %) pogorszeniu ulegają właściwości technologiczne stopu osnowy. Wzrasta jego lepkość, spada lejność, co wpływa na obniżenie zdolności do wypełniania wnęki formy. Ponadto bezpośrednie wprowadzenie do ciekłego metalu różnego typu faz ceramicznych o dużej dyspersji nie jest możliwe do zrealizowania z punktu widzenia klasycznej metody zawiesinowej. Przeszkodę stanowią zarówno prądy konwekcyjne gazów znajdujące się nad powierzchnią ciekłego, mieszanego mechanicznie metalu, jak również zjawiska aglomerowania tak małych cząstek oraz brak zwilżania ich powierzchni przez ciekłe metale. Dlatego też, ważnym elementem omawianego osiągnięcia naukowego było opracowanie autorskiej koncepcji materiałowo - technologicznej otrzymywania wielofazowych, hybrydowych odlewów kompozytowych w połączonych procesach metalurgii proszków i odlewania odśrodkowego, (rys. 1). 10
Rys. 1. Schemat wytwarzania warstwy kompozytowej z wykorzystaniem reaktywnych proszków kompozytowych otrzymywanych w procesie SHS Zaproponowany sposób wytwarzania tej grupy kompozytów (rys.1), szczegółowo opisany w pracach [1] i [2], stanowi rozwiązanie pozwalające na usunięcie wymienionych przeszkód i ograniczeń (udział objętościowy i wielkość cząstek) w zastosowaniu konwencjonalnej metody zawiesinowej do wytwarzania materiałów kompozytowych z wielofazowym, dyspersyjnym umocnieniem. Rozwiązanie oparto na założeniu, że nośnikiem faz dyspersyjnych będą proszki kompozytowe o znanym składzie chemicznym i fazowym wytworzone w procesie samorozwijającej się syntezy wysokotemperaturowej (SHS), które dodatkowo w reakcji z ciekłym stopem Al będą tworzyć in situ nowe fazy umacniające. Szczególną wartość naukową mają wyniki badań strukturalnych i tribologicznych. Wykazano [1,3], że wprowadzenie do stopu AlMg10 reaktywnego proszku typu NiCr/Cr 3 C 2 -TiC prowadzi do powstawania faz międzymetalicznych i ceramicznych koherentnych z osnową, co pozwala na uzyskanie efektu umocnienia dyspersyjnego. Wraz ze wzrostem udziału objętościowego zbrojenia zmienia się charakter zużycia tribologicznego w skojarzeniu warstwa kompozytowa - żeliwo. Zastosowanie reaktywnego proszku kompozytowego zawierającego dyspersyjne cząstki węglika chromu i tytanu w osnowie NiCr (NiCr/Cr 3 C 2 +TiC) pozwoliło na ukształtowanie struktury warstwy zewnętrznej w tulei wytworzonej w procesie odlewania odśrodkowego właściwego z pionową osią wirowania [2,3]. Mechanizm kształtowania lokalnej warstwy 11
kompozytowej wynika z różnicy gęstości pomiędzy stopem osnowy a komponentami zbrojącymi. Uzyskana warstwa charakteryzuje się złożoną strukturą faz o różnej dyspersji, morfologii i składzie chemicznym. Zarówno struktura obszaru wzmocnienia, jak i jego grubość są w ścisłej korelacji ze składem fazowym i udziałem objętościowym stosowanego proszku kompozytowego. Wyniki badań właściwości tribologicznych (współczynnik tarcia, zużycie) pary ciernej żeliwo kompozyt oraz analiza śladów wytarcia po zużyciu, przedstawione szczegółowo w pracy [4] wykazały, że wraz ze wzrostem udziału objętościowego proszku kompozytowego w stopie osnowy zmienia się mechanizm zużycia tribologicznego. Wykazano, że zwiększenie udziału proszku kompozytowego w osnowie nie zmienia wartości współczynnika tarcia. W obu analizowanych przypadkach po okresie docierania µ stabilizuje się na poziomie = 0,4 (rys. 2). Jednocześnie, wraz ze wzrostem udziału proszku kompozytowego zmniejsza się poziom zużycia pary ciernej [praca 4, rys. 10], co jest związane z efektem zmiany mechanizmu zużycia z adhezyjno - abrazyjnego na abrazyjny. Uzyskany efekt jest korzystny z punktu widzenia eksploatacji węzła tribologicznego żeliwo - warstwa kompozytowa. Ad B. (a) Rys. 2. Wykres zmian współczynnika tarcia w funkcji drogi dla układu żeliwo-warstwa kompozytowa: a) AlMg+5%NiCr/Cr 3 C 2 +TiC, b) AlMg+10%NiCr/Cr 3 C 2 +TiC Zagadnienia opisane w pracach [5-9] dotyczą drugiej grupy wytwarzanych i badanych kompozytów o zbrojeniu wielofazowym. Są to materiały należące do grupy kompozytów ex situ, w których jako zbrojenie wykorzystano mieszaniny cząstek węglika krzemu lub tlenku aluminium w połączeniu z cząstkami węgla szklistego. Kluczowym osiągnięciem w tym obszarze badań jest zastosowanie układów heterofazowych, w których poprzez dodatek cząstek amorficznego węgla szklistego do kompozytów typu Al/SiC, Al/Al 2 O 3 uzyskano nie tylko stabilizację (b) 12
współczynnika tarcia, ale przede wszystkim w istotny sposób zmniejszono zużycie materiału współpracującego z kompozytem w węźle tarcia poprzez zachowanie lepszych właściwości smarnych. Zastosowanie tego typu cząstek ceramicznych pozwala w procesie odlewania odśrodkowego z pionową osią wirowania uzyskać wielowarstwowe odlewy kompozytowe, (rys. 3). Rys. 3. Widok formy wirującej i odlewu w postaci tulei oraz przykłady struktury warstw kompozytowych Analiza danych literaturowych pozwala stwierdzić, że zagadnienia kształtowania struktury kompozytów stop Al - cząstki ceramiczne z wykorzystaniem technik odlewniczych opisywane są głównie poprzez dwa mechanizmy. Pierwszy dotyczy zachowania się cząstek w ciekłym metalu do chwili rozpoczęcia krystalizacji (wypływanie, sedymentacja, aglomeracja), w którym istotną rolę odgrywają właściwości fizyko-chemiczne stosowanych cząstek zbrojenia oraz zjawisko zwilżania ich powierzchni przez ciekłą osnowę. Drugi, to kwestie związane z bezpośrednim oddziaływaniem rosnącego frontu krystalizacji z cząstkami fazy zbrojącej. Od momentu rozpoczęcia procesu krzepnięcia następuje wzrost fazy krystalicznej, a jej narastanie przebiega w kierunku przeciwnym do ruchu cząstek. Oprócz czynnika geometrycznego, o uzyskanej strukturze i rozmieszczeniu cząstek w osnowie decydują prędkość krystalizacji i czas krzepnięcia odlewu. Istotne są również warunki procesu odlewania zawiesin kompozytowych. W powyższym świetle, ważną częścią składową badań było opracowanie charakterystyki krzepnięcia nowych heterofazowych zawiesin kompozytowych. W pracach [5,6] przedstawiono wpływ węgla szklistego na krzepnięcie heterofazowych zawiesin kompozytowych. W przypadku zastosowania zbrojenia typu SiC+C [5] uzyskano strukturę warstwową odlewu, krzepnacego w znormalizowanym czujniku QC 480. Natomiast w odlewie zbrojonym cząstkami Al 2 O 3 +C [6], krzepnącym w tych samych warunkach 13
odprowadzania ciepła, uzyskano strukturę gradientową. Cząstki ceramiczne w postaci amorficznego węgla szklistego wpływają zarówno na zmianę temperatury, jak i czasu krzepnięcia zawiesin kompozytowych. Zmiana ta wynika przede wszystkim z odmiennych właściwości fizycznych cząstek węgla szklistego (przewodnictwo cieplne, ciężar właściwy) w porównaniu z cząstkami węglika krzemu i tlenku aluminium. Odpowiednie warunki krzepnięcia zawiesin o zbrojeniu heterofazowym (Al/SiC+C), wydłużenie czasu i zmniejszenie szybkości odprowadzania ciepła przez formę oraz segregacja cząstek w osnowie (sedymentacja lub flotacja), zachodząca głównie wskutek różnicy gęstości pomiędzy zbrojeniem a ciekłą osnową, pozwoliły na uzyskanie struktury gradientowej lub warstwowej w odlewie krzepnącym grawitacyjnie [8,9]. Efekt samoistnej segregacji, opisywany zwykle jako zjawisko niepożądane, jest zaletą w przypadku wytwarzania odlewów warstwowych w procesie odlewania odśrodkowego. Na podstawie uzyskanych wyników badań, opisanych w pracach [7-9] wykazano, że zastosowanie zawiesin heterofazowych typu Al/Al 2 O 3 +C i Al/SiC+C prowadzi do uzyskania w odlewie odśrodkowym dwóch funkcjonalnych warstw kompozytowych o różnej grubości i korzystnych właściwościach tribologicznych, będących w korelacji z rodzajem, udziałem i wielkością cząstek zbrojących oraz specyficznym ich rozkładem w odlewie. Działanie siły odśrodkowej wymusza przemieszczanie się cząstek zbrojenia do zewnętrznych obszarów odlewu, kształtując tym samym warstwy kompozytowe o zwiększonym udziale objętościowym w porównaniu do ich udziału w zawiesinie wyjściowej [8]. Jest to korzystne zarówno z punktu widzenia właściwości odlewniczych zawiesin kompozytowych [5,6], głównie zdolności do przepływu we wnęce formy (lejność) oraz zdolności do odwzorowania szczegółów jej powierzchni, jak i finalnych właściwości odlewów. Biorąc pod uwagę wyniki zrealizowanych badań, zarówno aspekty technologiczne (krzepnięcie, lejność, tendencja do samoistnej segregacji), jak i właściwości tribologiczne (współczynnik tarcia, zużycie) stwierdzono, że zastosowanie zbrojenia heterofazowego typu SiC+C jest najkorzystniejsze z punktu widzenia potencjalnych zastosowań. Odpowiedni dobór parametrów odlewania odśrodkowego pozwolił na ukształtowanie wyraźnej, zewnętrznej warstwy kompozytowej, której strukturę i właściwości kształtują cząstki węglika krzemu zapewniając odpowiednią twardość, nośność powierzchni i odporność na zużycie. 14
Z kolei w obszarze warstwy wewnętrznej lokują się w przewadze duże cząstki węgla szklistego otoczone znacznie mniejszymi cząstkami SiC [8,9]. Wykazano, że obecność węgla szklistego w strukturze ukształtowanej warstwy kompozytowej obniża i stabilizuje wartość współczynnika tarcia (rys. 4), ale przede wszystkim zmniejsza zużycie partnera tarcia w skojarzeniu tribologicznym. (b) (a) Rys. 4. Kompozyt Al/SiC+C: a) wartość współczynnika tarcia, b) struktura warstwy zewnętrznej, c) struktura warstwy wewnętrznej (c) Należy nadmienić, że w procesie odlewania odśrodkowego w osi pionowej, oprócz pozytywnych efektów związanych z kształtowaniem funkcjonalnych warstw kompozytowych, pojawia się efekt segregacji w osi pionowej odlewu. Prowadzi to do zróżnicowania właściwości ukształtowanych warstw kompozytowych w zależności od wysokości odlewu [7]. Ograniczenie tego zjawiska możliwe jest poprzez zwiększenie temperatury i prędkości obrotowej formy wirującej. Ad C. Nowym obszarem badań w zakresie materiałów kompozytowych są zagadnienia związane z kształtowaniem struktury materiałów o wzajemnie przenikających się fazach, np. metalowej i ceramicznej (Interpenetrating phase composites IPCs). Jest to nowa klasa kompozytów, w których obie fazy wykazują ciągłość w trzech kierunkach (3D). Materiały te charakteryzują się głównie większą zdolnością do absorbowania energii, wyższym modułem sprężystości, a także lepszymi właściwościami tribologicznymi w porównaniu do klasycznych kompozytów wzmocnionych cząstkami np. Al 2 O 3, SiC, TiC. Korzystne charakterystyki mechaniczne są wynikiem specyficznej makrostruktury kompozytu o perkolacji faz ceramiki i metalu. 15
Metody wytwarzania tego typu materiałów bazują na procesach nasycania ciekłym metalem porowatej struktury ceramicznej. W zależności od warunków zwilżania w układzie metal - ceramika proces ten może zachodzić samorzutnie (pressureless infiltration) lub w sposób wymuszony w wyniku działania ciśnienia zewnętrznego na lustro ciekłego metalu (pressure infiltration). Dodatkowe ciśnienie zewnętrzne może być wywierane przez stempel/tłok tak, jak w procesach wysokociśnieniowych (np. squeeze casting infiltration, die-casting infiltration) lub przez gaz w procesie gazowej infiltracji ciśnieniowej (gas pressure infiltration), zaliczanym do technik niskociśnieniowych. Dodatkowe ciśnienie może być również generowane działaniem siły odśrodkowej w czasie wirowania formy (centrifugal infiltration). Niewątpliwym novum w przedstawionym cyklu publikacji było wykorzystanie procesu odlewania odśrodkowego do kształtowania odlewów zbrojonych lokalnie szkieletami ceramicznymi o znanej przestrzennej strukturze. W efekcie działania siły odśrodkowej na lustro ciekłego stopu AlSi wytworzono odlewy z warstwą kompozytową o strukturze perkolacyjnej, (rys. 5). Rys. 5. Widok formy, odlewu i przykłady struktury w obszarze wzmocnionym preformą ceramiczną. W pracach [10-13] przedstawiono podstawy teoretyczne oraz wyniki prac eksperymentalnych i badawczych nowego rozwiązania materiałowotechnologicznego. W rozważaniach teoretycznych, opisanych szczegółowo w pracy [12], uwzględniono ciśnienie hydrostatyczne wynikające z ruchu obrotowego formy, ciśnienie kapilarne będące efektem warunków zwilżania ceramicznej preformy przez ciekły metal oraz opory przepływu metalu przez strukturę porowatą opisane prawem Darcy ego. Analizie poddano również wymianę ciepła pomiędzy preformą a metalem w oparciu o bilans cieplny w obszarze frontu infiltracji. Analiza zjawisk zachodzących 16
w czasie infiltracji wymagała dostosowania modeli matematycznych, znanych z literatury i wykorzystywanych do opisu procesów infiltracji preform włóknistych. W zaproponowanym modelu uwzględniono obecność porów zamkniętych w szkieletach ceramicznych, które nie występują w preformach włóknistych. Na podstawie rozważań modelowych stwierdzono, że takie zjawiska, jak ciśnienie kapilarne i opory przepływu, nie stanowią istotnej przeszkody w infiltracji preformy przez ciekły metal w proponowanym procesie wytwarzania. Dla założonych prędkości wirowania formy (powyżej 1500 obr./min.) o stopniu nasycenia porowatych kształtek ciekłym metalem nie decydują również rozkład porowatości i rozmiar porów. Wskazano natomiast, że istotna z punktu widzenia procesu wytwarzania jest porowatość preformy ceramicznej. Obecność porów zamkniętych wpływa na wymianę ciepła pomiędzy infiltrującym metalem a preformą, a przez to na krzepnięcie metalu w trakcie infiltracji. W oparciu o bilans cieplny w obszarze frontu infiltracji, wyznaczono granicę porowatości, przy której następuje całkowite zakrzepnięcie metalu na ściance preformy i zatrzymanie procesu infiltracji. Istotnym elementem zrealizowanych prac była weryfikacja eksperymentalna przyjętych założeń modelowych, szczegółowo opisana w pracach [12] i [13]. W próbach infiltracji wykorzystano korundowe kształtki ceramiczne (Al 2 O 3 ) o różnej porowatości i mikrostrukturze wynikającej z zastosowanej metody ich wytwarzania (odwzorowanie komórkowej struktury matrycy polimerowej lub spienianie mechaniczne i spiekanie). Eksperymenty nasycania porowatej ceramiki ciekłym stopem AlSi (EN-AC-AlSi12CuNiMg) w warunkach działania ciśnienia wywołanego siłą odśrodkową przeprowadzono na wcześniej zaprojektowanym i zbudowanym stanowisku technologicznym. Wyniki wykonanych prac eksperymentalnych, których metodykę przedstawiono w pracy [12], potwierdziły poprawność przyjętego modelu. Dla preform ceramicznych wytworzonych metodą spieniania mechanicznego, o niższej porowatości całkowitej (na poziomie 50%), zaobserwowano szybkie krzepnięcie metalu na froncie infiltracji, a w efekcie końcowym zatrzymanie procesu nasycania. Z kolei dla kształtek o porowatości całkowitej w granicach 80 % i prędkości obrotowej formy rzędu 4000 obr./min. uzyskano bardzo wysoki stopień nasycenia sferycznych komórek niezależnie od ich rozkładu i rozmiaru. Porowatość resztkowa obszarów wzmocnionych, wyznaczona metodą tomografii komputerowej, nie przekroczyła 1 % [13]. Całkowite wypełnienie komórek oraz brak defektów struktury i nieciągłości na granicy faz metal - ceramika 17
potwierdziły również szczegółowe badania z zastosowaniem skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM, EDS). Dobre połączenie komponentów oraz charakterystyczna struktura warstwy kompozytowej o wzajemnie przenikających się fazach ceramicznej i metalowej pozwoliły uzyskać istotną poprawę właściwości mechanicznych (twardość, wytrzymałość na ściskanie) i tribologicznych (zużycie, współczynnik tarcia) w obszarach wzmocnionych w porównaniu do stopu osnowy, (rys. 6). (a) Rys. 6. Właściwości użytkowe warstw kompozytowych w porównaniu ze stopem osnowy: a) współczynnik tarcia w skojarzeniu z żeliwem, b) twardość oraz wytrzymałość na ściskanie (b) Wykazano, że właściwości warstwy kompozytowej rosną wraz ze zmniejszeniem rozmiaru porów. Kluczowym parametrem materiałowym w procesie infiltracji odśrodkowej jest porowatość stosowanych preform ceramicznych. Z kolei istotnym parametrem technologicznym jest prędkość wirowania formy, a tym samym ciśnienie wywierane na lustro infiltrującego preformę metalu. Zaletą zaproponowanego procesu wytwarzania jest niskie ciśnienie infiltracji, które nie powodując uszkodzenia struktury przestrzennej zapewnia jej pełne nasycenie stopem osnowy i umożliwia uzyskanie funkcjonalnej warstwy kompozytowej o podwyższonych właściwościach. 4.1.4. Podsumowanie Przedstawiony zakres prac badawczych opisanych w pracach [1-13], wykazywanych jako podstawę postępowania habilitacyjnego, pozwolił osiągnąć przyjęte cele, tak naukowy jak i aplikacyjny. Na podstawie wyników zrealizowanych badań można sformułować następujące wnioski ogólne: 1. Połączenie procesów metalurgii proszków (SHS) i metody zawiesinowej oraz techniki odlewania odśrodkowego pozwala na uzyskanie funkcjonalnej warstwy 18
kompozytowej o zbrojeniu dyspersyjnym w postaci faz ceramicznych i międzymetalicznych w odlewie o osnowie stopu Al. 2. Wykorzystanie heterofazowej mieszaniny cząstek ceramicznych w postaci węglika krzemu i węgla szklistego pozwala na uzyskanie w odlewie odśrodkowym dwóch różnych warstw kompozytowych o odmiennych właściwościach, zwłaszcza tribologicznych. 3. Wykorzystanie porowatych szkieletów ceramicznych w procesie odlewania odśrodkowego pozwala na ukształtowanie lokalnej warstwy zbrojącej o strukturze perkolacyjnej, która zapewnia wzrost właściwości użytkowych w wybranym obszarze odlewu. 4. Właściwości użytkowe warstwy kompozytowej zależą od jej mikrostruktury głównie udziału objętościowego, rodzaju i morfologii faz zbrojących: wraz ze wzrostem udziału objętościowego zbrojenia dyspersyjnego w stopie Al zmniejsza się poziom zużycia pary ciernej, co jest związane z efektem zmiany mechanizmu zużycia z adhezyjno - abrazyjnego na abrazyjny; obecność węgla szklistego w strukturze ukształtowanej warstwy kompozytowej prowadzi do obniżenia i stabilizacji wartości współczynnika tarcia oraz zmniejszenia zużycia partnera tarcia w skojarzeniu tribologicznym; na poziom właściwości użytkowych warstwy kompozytowej o wzajemnie przenikających się fazach ceramicznej i metalowej wpływa przestrzenna struktura fazy ceramicznej, głównie wartość porowatości, rozmiar oraz stopień otwarcia komórek. Przedstawione osiągnięcie naukowe poszerza dotychczasową wiedzę w zakresie wytwarzania i kształtowania struktury metalowych materiałów kompozytowych. Analiza uzyskanych rezultatów pozwoliła na opracowanie rozwiązań materiałowo - technologicznych w zakresie kształtowania funkcjonalnej warstwy kompozytowej w procesach odlewania do form wirujących. Wymiernym efektem zrealizowanych prac koncepcyjnych, eksperymentalnych i badawczych są odlewy kompozytowe, w postaci tulei i wałków, o zróżnicowanych właściwościach powierzchni użytkowych z przeznaczeniem do pracy w warunkach obciążeń tribologicznych. 19
Lokalne wzmocnienie odlewów, zwłaszcza w przypadku stosowania twardych faz ceramicznych i międzymetalicznych, poprawia ich właściwości użytkowe w obszarach silnie narażonych na zużycie. Jednocześnie pozwala na zachowanie wyjściowych właściwości mechanicznych i plastycznych stopu osnowy w obszarach niezawierających zbrojenia. Takie rozwiązanie jest korzystne, zwłaszcza z punktu widzenia obróbki wykończeniowej wyrobu kompozytowego. Uzyskane wyniki potwierdziły poprawność przyjętych założeń materiałowo - technologicznych i mogą być podstawą do dalszych prac nad wdrożeniem do produkcji materiałów kompozytowych z lokalnym wzmocnieniem. Potencjalnym obszarem zastosowań tego typu odlewów mogą być wysokoobciążone skojarzenia tribologiczne, w których wymagana jest trwałość i niezawodność materiału. Jednym z przykładów, nad którym trwają prace realizowane w Zespole, jest skojarzenie tłok kompozytowy - tuleja kompozytowa (rys. 7), w którym zakłada się istotne ograniczenie zużycia tribologicznego. Rys. 7. Potencjalny przykład wykorzystania wyników prac badawczych w skojarzeniu tłok kompozytowy - tuleja kompozytowa 20
5. Pozostałe osiągniecia naukowo - badawcze 5.1. Działalność prowadzona przed doktoratem W roku 1991 ukończyłam Liceum Ogólnokształcące w Katowicach. W tym samym roku, zdając egzaminy wstępne, rozpoczęłam studia na Wydziale Inżynierii Materiałowej, Metalurgii, Transportu i Zarządzania Politechniki Śląskiej w Gliwicach na kierunku Inżynieria Materiałowa. W trakcie studiów, zgodnie ze swoimi zainteresowaniami, podjęłam decyzję o wyborze specjalności: Tworzywa Sztuczne i Kompozyty, prowadzonej w Katedrze Technologii Stopów Metali i Kompozytów. Studia wyższe ukończyłam w roku 1996 przedstawiając i broniąc z wynikiem bardzo dobrym pracę dyplomową pod tytułem: Wytwarzanie kompozytowych odlewów warstwowych w układzie stop aluminium cząstki ceramiczne wykonaną pod opieką promotorską prof. dr. hab. inż. Józefa Śleziony. Z dniem 1 lutego 1997 roku zostałam zatrudniona na stanowisku asystenta w Zakładzie Kompozytów i Metalurgii Proszków, Katedry Technologii Stopów Metali i Kompozytów Wydziału Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu Politechniki Śląskiej, kierowanym przez prof. dr hab. inż. Izabellę Hylę. Równocześnie zostałam włączona do działalności naukowo - badawczej Zakładu. W latach 1998-2002 byłam słuchaczem stacjonarnych studiów doktoranckich, prowadzonych na macierzystym Wydziale w dyscyplinie Inżynieria Materiałowa pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Stanisława Serkowskiego. W ramach realizowanych zajęć rozwijałam swoje zainteresowania naukowe związane z inżynierią materiałową doskonaląc wiedzę w zakresie nauki o materiałach, technologii wytwarzania oraz technik badawczych, stosowanych w inżynierii materiałowej do oceny struktury i właściwości materiałów inżynierskich. W czerwcu 1998 roku odbyłam dwutygodniowy staż naukowy w Wyższej Szkole Bańskiej w Ostrawie na Wydziale Metalurgii i Inżynierii Materiałowej (VŠB Technical Uniwersity Ostrava, Faculty of Metallurgy and Materials Engineering) gdzie uczestniczyłam w serii wykładów i zajęć praktycznych dotyczących badań struktury z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej i doborem metod oceny właściwości materiałów inżynierskich. W 2000 roku zostałam członkiem Polskiego Towarzystwa Materiałów Kompozytowych (PTMK). Od początku zatrudnienia brałam udział w wielu pracach badawczych rozwijając swoje zainteresowania w obszarze tworzyw polimerowych i materiałów kompozytowych pod opieką naukową prof. dr. hab. inż. Józefa Śleziony. 21
Moje pierwsze zespołowe prace naukowo - badawcze, prowadzone w ramach działalności statutowej, dotyczyły wykorzystania metod nieniszczących, emisji akustycznej oraz całki J do opisu i analizy mechanizmów zniszczenia oraz oceny odporności na pękanie materiałów kompozytowych, a także recyklingu kompozytów polimerowych [Zał. 3 pkt. IIF poz. 7-11]. Byłam również wykonawcą w 3 projektach badawczych, finansowanych z funduszy Komitetu Badań Naukowych, którymi kierował prof. dr hab. inż. Józef Śleziona [Zał. 3 pkt. IIF poz. 12-14]. Problematyka realizowanych prac dotyczyła różnych aspektów wytwarzania oraz kształtowania struktury i właściwości kompozytów o osnowie aluminium i jego stopów w procesach ciekłofazowych (ex situ i in situ) [Zał. 3 pkt. IIE poz. 3-6,8; Mat. Konf. 2-4, 13-18,20]. W badaniach własnych skupiłam się na zagadnieniach związanych z przygotowaniem powierzchni komponentów ceramicznych celem uzyskania odpowiednich warunków zwilżania w układzie ciekły stop Al - ceramika oraz oceną wpływu zastosowanej preparacji na strukturę i rozmieszczenie cząstek zbrojących w osnowie. Analizowano również wpływ wielkości cząstek (Al 2 O 3, SiC) oraz rodzaju ich preparacji na właściwości mechaniczne i fizyczne kompozytów odlewanych [Zał. 3 pkt. IIE Mat. Konf. 5,6,9,11 pkt. IIF poz. 1,2]. Ponadto zostałam włączona do Zespołu realizującego prace badawcze związane z opracowaniem technologii wytwarzania kompozytów na osnowie faz międzymetalicznych w procesach reaktywnej infiltracji i spiekania w ramach Projektu Zamawianego pt. Stopy na osnowie faz międzymetalicznych - technologia, struktura, właściwości i zastosowanie (PBZ-KBN-041/T08/08) [Zał. 3 pkt. IIE Mat. Konf. 20]. W tym samym czasie, w ramach realizacji grantu promotorskiego [Zał. 3 pkt. IIF poz. 14] i statutowych badań własnych [Zał.3 pkt. IIF poz.3-5] rozpoczęłam prace związane z wytwarzaniem i kształtowaniem struktury kompozytowych odlewów aluminiowych (tj. AlSi12-SiC, AlSi12-Al 2 O 3 ) o założonym rozmieszczeniu cząstek ceramicznych w procesie odlewania odśrodkowego w osi poziomej [Zał. 3 pkt. IIE poz. 1,2,7,9; Mat. Konf. 1,7,8,10,12,19]. Zdobywane doświadczenia naukowe wykorzystałam w trakcie realizacji pozostałych badań stanowiących trzon części badawczej rozprawy doktorskiej, której celem naukowym była analiza wpływu procesu odlewania odśrodkowego (w osi poziomej) na rozmieszczenie cząstek zbrojących w odlewie oraz określenie możliwości wpływania na zróżnicowanie położenia cząstek w odlewie poprzez odpowiedni dobór parametrów procesu odlewania. Jako cel 22
utylitarny przyjęłam określenie czynników determinujących uzyskanie tą technologią odlewu o podwyższonej twardości i odporności na ścieranie przy gradientowym rozmieszczeniu zbrojenia. W lutym 2003 roku przed Radą Wydziału Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej obroniłam z wyróżnieniem pracę doktorską pt. Kształtowanie struktury kompozytów Al-cząstki ceramiczne w procesie odlewania odśrodkowego, wykonaną pod opieką promotorską prof. dra hab. inż. Józefa Śleziony. W całym tym okresie aktywnie uczestniczyłam w wielu konferencjach naukowych o zasięgu krajowym oraz międzynarodowym prezentując wyniki badań własnych w formie referatów, m.in.: Szkoła Inżynierii Materiałowej (1997, 2000); Międzynarodowa Konferencja Zjawiska Powierzchniowe w Procesach Odlewniczych (1998); KOMPOZYTY - Teoria i praktyka (2000; 2001; 2002); Junior Euromat (2002) oraz prezentacji posterowych, m.in.: Seminarium Naukowe Nowe technologie i Materiały w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej (1997, 1998, 1999; 2000; 2001); International II Cast Composites Conference (1998); International Congress on Advanced Materials and Processes MATERIALS WEEK (2001). 5.2. Działalność prowadzona po doktoracie Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych 1 maja 2003 roku rozpoczęłam pracę na stanowisku adiunkta w Katedrze Technologii Stopów Metali i Kompozytów na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej. Obecnie jestem pracownikiem Zakładu Ceramiki i Kompozytów Instytutu Nauki o Materiałach. Aktywnie uczestniczę w działalności naukowo badawczej, dydaktycznej i organizacyjnej na rzecz Wydziału i Uczelni. Na początku swojej pracy naukowej po doktoracie skupiłam się na rozwinięciu i dokończeniu pewnych aspektów tematyki, którą obejmowała moja rozprawa doktorska, zwłaszcza charakterystyk strukturalnych w ujęciu ilościowym, a także na rozpowszechnieniu jej wyników poprzez publikacje i referaty na międzynarodowych i krajowych konferencjach naukowych [Zał. 3 pkt. IIE poz. 7,9,12; pkt. IIL 8,9,12]. Równocześnie kontynuowałam prace naukowo - badawczne związane z wykorzystaniem złożonych proszków (biernych i reaktywnych chemicznie) do wytwarzania zawiesin kompozytowych z udziałem dyspersyjnych faz ceramicznych i międzymetalicznych, m.in. [Zał. 3 pkt. IIA poz. 1,3; pkt. IIE poz. 10,13,14; Mat. Konf. 1-3]. Wyniki tych prac były motywacją do określenia mojego 23
wiodącego tematu działalności naukowo - badawczej, jakim jest kształtowanie struktury i właściwości funkcjonalnych warstw kompozytowych w procesach odlewania do form wirujących. Równocześnie rozpoczęłam prace związane z wytwarzaniem i kształtowaniem warstwowej struktury heterofazowych odlewów kompozytowych typu Al/Al 2 O 3 +C i Al/SiC+C [Zał. 3 pkt. IIE poz. 15]. Problematykę wytwarzania wielofazowych zawiesin kompozytowych i kształtowania funkcjonalnej, warstwowej struktury odlewów rozwijałam kierując pracami badawczymi w projekcie własnym finansowanym z funduszy MNiSW (KBN 3 T08D 024 28). Zrealizowane prace dotyczyły różnych aspektów materiałowych, technologicznych i strukturalnych w obszarze kompozytów o zbrojeniu heterofazowym (tj. Al 2 O 3 +C, SiC+C) oraz hybrydowym, którego nośnikiem były wytwarzane w procesie samorozwijającej się syntezy wyskotemperaturowej proszki kompozytowe o znanym składzie chemicznym i fazowym. Rezultaty tych prac zostały przedstawione m.in.: w publikacjach [Zał. 3 pkt. IIE poz. 16-18, 20-24, 26-31; Mat. Konf. 9]. W tym samym czasie, jako główny wykonawca, uczestniczyłam w szerokim programie badawczym realizowanym w projekcie zamawianym (PBZ-KBN- 114/T08/2004 pt.: Nowe tworzywa i procesy technologiczne w odlewnictwie ). W ramach realizacji prac badawczych opracowano sposób wytwarzania zawiesin kompozytowych w układach Al/SiC, Al/C oraz heterofazowym typu Al/SiC+C. Dodatkowym efektem prac zrealizowanych w skali laboratoryjnej są procedury technologiczne wytwarzania odlewów kompozytowych w procesach odlewania grawitacyjnego, ciśnieniowego oraz odśrodkowego, które opisano m.in. w [Zał. 3 pkt. IIE rozdział w monografii poz. 3,4]. Istotnym elementem opracowanych rozwiązań była ich weryfikacja w warunkach przemysłowych we współpracy z rodzimym przemysłem odlewniczym. Próby odlewania ciśnieniowego zawiesin kompozytowych zrealizowano w firmie PRESS, o dużym doświadczeniu w dziedzinie odlewnictwa ciśnieniowego stopów metali nieżelaznych. Przeprowadzono również udane próby odlewania kokilowego tłoków kompozytowych zbrojonych w całej objętości odlewu z przeznaczeniem do pracy w sprężarkach powietrza. Proces odlewania tłoków zrealizowano w ramach współpracy z firmą Złotecki Sp. z o.o., producentem precyzyjnych części silnikowych takich jak tłoki i sworznie tłokowe. Przebadano strukturę i właściwości wytworzonych odlewów. Zadowalające wyniki wykonanych 24
prac eksperymentalnych dały podstawę do kontynuacji badań w ramach zadania ZB9 (FSB-34/RM2/2009/ZB9), realizowanego w zakresie Indywidualnego Projektu Kluczowego (POIG.0101.02-015/08-00), a także Projektu Badawczo - Rozwojowego finansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (PBR N N07 0011 06). W efekcie realizacji prac badawczo rozwojowych, w których byłam głównym wykonawcą, zaprojektowano i zbudowano stanowisko piecowe do wytwarzania zawiesin kompozytowych na skalę półtechniczną, co pozwoliło na realizację procesu wytwarzania kompozytu metodą zawiesinową w jednym cyklu obejmującym rafinację, modyfikację stopu osnowy, wprowadzanie cząstek ceramicznych i homogenizację w powtarzalnych i stabilnych warunkach. Opracowany sposób wytwarzania kompozytu heterofazowego o osnowie stopów aluminium chroniony jest patentem PL 217146 [Zał. 3 pkt. IIC poz. 1]. Efektem końcowym projektu rozwojowego jest pełna dokumentacja techniczna opracowanej technologii wytwarzania tłoków kompozytowych w oparciu o metodę odlewania kokilowego oraz prototypowa partia 50 tłoków z przeznaczeniem do sprężarek powietrza zrealizowana we współpracy z odlewnią Złotecki Sp. z o.o. w Rojewie. Opracowana technologia została wyróżniona na Międzynarodowych Targach KOMPOZYT - EXPO 2012. Problemem okazało się zagadnienie ekonomicznie opłacalnej metody kształtowania wyrobu w postaci tłoka kompozytowego, począwszy od odcinania nadlewów i układu zalewowego, poprzez toczenie, wiercenie otworów i wykonanie rowków pod pierścieniowych. Stanowiło to główną przesłankę do podjęcia dalszych badań związanych z opracowaniem składu fazowego kompozytu pod kątem możliwości kształtowania powierzchni roboczych tłoków kompozytowych, które kontynuowano w ramach Programu Badań Stosowanych (NCBiR PBS1/B6/13/2013) w Konsorcjum z Instytutem Metali Nieżelaznych OML w Skawinie, Instytutem Zaawansowanych Technologii Wytwarzania IZTW w Krakowie oraz Partnerem przemysłowym, odlewnią Złotecki Sp. z o.o. w Rojewie. Rezultaty prac badawczych wykonanych w ramach krótko scharakteryzowanych projektów, w których uczestniczyłam jako główny wykonawca, zostały przedstawione na wielu konferencjach naukowych oraz szeroko omówione w ponad 30 artykułach opublikowanych w czasopismach krajowych i zagranicznych oraz w zagranicznych materiałach konferencyjnych. Dotyczą one przede wszystkim aspektów technologicznych wytwarzania zawiesin kompozytowych na osnowie stopów 25