Tudományos eredmények

Mérföldkövek

1. mérföldkő

Mérföldkő elérésének tervezett dátuma: 2018.02.28.

Feladatok: Termodinamikai modell felállítása, amellyel a nanoszerkezetű anyagok egyensúlyát tudjuk leírni. A létrehozott modell-rendszert a meglévő irodalmi adatok alapján ellenőrizzük. Nedvesítési vizsgálatokat végzünk a nanoszerkezetű forraszanyagoknak megfelelő összetételű mikroméretű szerkezettel rendelkező forraszötvözetekkel. Előkísérleteket végzünk az amorf nanoszerkezetű kompozitok előállítására, hogy meghatározzuk az otimális paramétereket, megfelelő összetételű porkeverékeket. Megkezdjük a TWIP/TRIP acélok előállítását. Kidolgozzuk mind a nanoszerkezetű kompozitok, mind a TWIP/TRIP acélok mikroszerkezeti, kristálytani vizsgálatának módszertanát.

Feladat teljesítése: a kidolgozott modellrendszert, a mérési eredményeket, valamint az alkalmazott mérési módszertant tartalmazó jelentés készítése. Az elért eredmények projektszintű tudományos szemináriumon történő bemutatása, megvitatása.

2. mérföldkő

Mérföldkő elérésének tervezett dátuma: 2019.02.28.

Feladatok: A termodinamikai modellrendszer felhasználásával létrehozzuk az adatbankot, és elkezdjük az eredmények validálását. Az elméleti alapokra támaszkodva tovább folytatjuk a nano-multiréteges forraszanyag fejlesztését és az amorf nanoszerkezetű kompozitok előállítását és gyártástechnológiájának fejlesztését. Tovább folytatjuk a nedvesítési kísérleteket a nanoszerkezetű forraszanyagok és makroszkópikus forraszanyagok felhasználásával. A TWIP/TRIP acélok esetén meghatározzuk a kristálytani textúra hatását a mechanikai tulajdonságokra. Az elkészített anyagok szerkezetvizsgálatát különféle módszerekkel (SEM TEM, XRD) elvégezzük.

Feladat teljesítése: a kidolgozott adatbankot, a mérési eredményeket, valamint a szerkezetvizsgálat jellemző adatait tartalmazó jelentés készítése. Az elért eredmények projektszintű tudományos szemináriumon történő bemutatása, megvitatása.

3. mérföldkő

Mérföldkő elérésének tervezett dátuma: 2020.02.29.

Feladatok: Új, nano-multiréteg forraszanyagot alkalmazó forrasztás technológia optimális paramétereinek meghatározása, a forrasztás technológia leírása különös tekintettel a nanoszerkezetű kompozitokra, illetve TWIP/TRIP acélokra. A projekt során elért eredmények széleskörű, részletes ismertetése.

A feladat teljesítése: összefoglaló zárójelentés készítése, az elért eredmények projektszintű tudományos nemzetközi szemináriumon történő bemutatása, megvitatása.

Műszaki-szakmai eredmények

1. műszaki-szakmai eredmény

Eredmény megnevezése: Fém-fém kompozitok készítésére alkalmas eljárás kidolgozása amorf nanoszerkezetű ötvözet felhasználásával. Nanokompozitok forrasztás technológiájának kifejlesztése.

Eredmény leírása: A nano szerkezetű ötvözetek és kompozitok mechanikai, valamint termikus tulajdonságai jelentősen eltérnek a hagyományos kristályos ötvözetektől, számos esetben nagyon ígéretesek. Szerkezeti anyagként ipari felhasználásuk még csak szűk területen valósult meg, s emiatt nagy erővel folynak a kutatások világszerte az amorf-nanoszerkezetű ötvözetek témakörben. Kutatásunk célja amorf-nanoszerkezetű porok előállítása, majd ezek felhasználásával kompozitok gyártása. Az alapanyagok kiválasztása irodalmi ismeretek és korábbi vizsgálatok alapján (Cu-Zr-Al-Ni-Ti, Ti-Zr-alapú, Zr-alapú). Az őrléssel előállított porok tulajdonságainak meghatározása után a mátrix anyagával különböző térfogatarányú homogén keverék kialakítása, majd alakadása, szinterelése. Olyan kompozitokat fogunk előállítani, amelyekben a szívósság párosul egy emelt szintű szilárdsággal. Az előállított darabokat a saját vagy egyéb (pl. acél) anyaggal összeforrasztva lehet a gyakorlatban is használható szerkezetet kialakítani. A forraszanyaggal szemben támasztott követelmény, hogy az amorf/nanoszerkezetű anyagok úgynevezett kritikus hőmérséklete alatt megolvadjon (a kritikus hőmérséklet felett az amorf rész kristályosodik elvesztve a keményítő hatását), és a forrasztást követően a forraszanyag szilárdsága megközelítse az összeforrasztott darabok szilárdságát. Ezeknek a feltételeknek felelhet meg a multi-rétegű nano fém/kerámia kompozit melyet a Nano-multirétegek fejlesztése c. alprogramban dolgozunk ki.

Az eredmény nem számszerűsíthető, egyéb tulajdonsága: Az eredményeket az oktatásban is hasznosítjuk tantermi órák során, többek között a „Nanotechnológiák”, „Nanokompozitok” tantárgyak esetében. Emellett a Kerpely Antal Anyagtudományok és Technológiák Doktori Iskolában meghirdetjük az amorf/nanoszerkezetű anyagok előállítása doktori témát. A kutatásban résztvevők mellett az egyetemi oktatásban résztvevő hallgatókat is bevonjuk a kutatási munkába. Várhatóan tudományos diákköri dolgozatok, BSc és MSc szakdolgozatok születnek az amorf ötvözetek előállítása témakörében, ezzel elősegítve a tudományos utánpótlást. A kutatócsoport részt kíván venni a fontosabb tudomány népszerűsítő rendezvényeken, ahol bemutatja tevékenységét és közelebb hozza az érdeklődőket a kutatás témaköréhez. A „Kutatók éjszakája” rendezvény sorozaton, a Miskolci Egyetem nyílt napján, a különböző szakmai napokon (Bányász-kohász Fazola napok az Őskohónál, Fémkohász Szakmai Nap, Lányok Napja) a szakma jeles képviselőivel találkozhatnak majd az érdeklődők. A Magyar Tudományos Akadémia Miskolci Területi Bizottság munkájában továbbra is részt fogunk venni és évente részletesen bemutatjuk eredményeinket. Az amorf nanoszemcsés kompozitok fejlesztése területén elért eredményeinkről évi átlagban 1-2 impakt faktoros cikket tervezünk megjelentetni.

2. műszaki-szakmai eredmény

Eredmény megnevezése: Nano-Calphad módszerrel végzett termodinamikai modellezésen alapuló keményforrasz anyagok előállítási technológiájának kidolgozása: i) nanomultiréteg bevonatok létrehozása különböző hordozók felületén, ii) nano-multiréteges alacsony olvadáspontú keményforrasztás technológiai ablakának meghatározása, iii) csökkentett olvadáspontú keményforrasztási technológia kidolgozása laboratóriumi szinten.

Eredmény leírása: Egyrészt a kísérletek során elért eredmények felhasználásával validáljuk a nano-Calphad számítási módszereit. Másrészt a nano-multi réteg bevonatok megfelelő körülmények között alkalmas alacsony olvadáspontú kemény forraszanyagként alkalmazhatóak. A nanoszerkezetű alacsony olvadáspontú keményforrasz anyagok a forrasztás után, visszanyerik az adott forraszötvözetre, normál körülmények között jellemző olvadáspontot, így a forraszkötés megfelelő mechanikai tulajdonságokkal fog rendelkezni. A forrasztás során azért szükséges az alacsony olvadáspont, mert a nagy hőmérsékletű forrasztás tönkre teheti a forrasztás környezetében lévő szerkezet előnyös tulajdonságait, szerkezetét, különös tekintettel az ultrafinom, nano, vagy amorf szerkezetekre. A csökkentett olvadásponttal rendelkező keményforrasz-anyagokat nano-multiréteg szerkezettel tervezzük létrehozni. Ezek A/B/A/B típusú anyagok, melyekben kétféle nanoréteg (A és B típus) váltogatja egymást periodikusan A koncepció szerint az „A” nanoréteg megolvadását követően, az olvadékot a „B” anyag nem nedvesített falai kiszorítják a határfelületi erőknek köszönhetően, ami a nemfémes réteg nano-pórusai között könnyen kijut a felületre, ahol csökkentett olvadáspontú keményforraszanyagként szolgál.

Az eredmény nem számszerűsíthető, egyéb tulajdonsága: A nano-multiréteg forraszanyag fejlesztés során olyan új ismeretekre teszünk szert, amellyel nemzetközi szinten a kutatási témának a meghatározó szereplői leszünk. Eredményeinket rangos nemzetközi folyóiratokban fogjuk publikálni. A publikáció mellett munkánk eredményeire alapozva szabadalmat is tervezünk készíteni. A csökkentett olvadáspontú forraszanyagokkal végzett kísérleteink eredményeiről a Miskolc- Lillafüreden 2018ban, a szakmai vezető által szervezendő „High Temperature Capillarity” nemzetközi konferencián fogunk beszámolni. Ez az esemény és az itt bemutatandó, általunk elért új tudományos eredmények további nemzetközi együttműködést, közös kutatás-fejlesztési munkát eredményezhet.

3. műszaki-szakmai eredmény

Eredmény megnevezése: Termodinamikia modellrendszer megalkotása a nanoanyagok egyensúlyi állapotának leírásához: polikristályos, nano-méretű szemcséket tartalmazó ötvözetek termodinamika viselkedésére. Nano-Calphad néven termodinamikai modellezésre alkalmas szoftver létrehozása, valamint a számítások elvégzését támogató termodinamikai adatbank létrehozása.

Eredmény leírása: Meglévő modellek és algoritmusok fejlesztése, kiegészítése, valamint új modellek és algoritmusok megalkotása az egyensúlyi fázisdiagram számítás nanoszerkezetű anyagokra való kiterjeszthetősége érdekében. A kutatómunka során az elméleti eredményeket folyamatosan és célirányosan megtervezett struktúra alapján végzett kísérleti értékekkel és szakirodalmi eredményekkel tudjuk összevetni, amely az előállítandó rendszerek optimalizálásához elengedhetetlen. Az optimalizált algoritmusokat célunk meglévő egyensúlyi fázisdiagram számítási eljárásokba, szoftverekbe, esetleg szimulációs algoritmusokba telepíteni, felhasználni. Lényeges és fontos kérdés a polikristályos, nano-méretű szemcséket tartalmazó ötvözetek termodinamika viselkedésének kutatása a szemcsedurvulással, illetve makroszkópikus fázisok precipitációjával szemben. Elsősorban elméleti alapokon megközelített, de a felhasználhatóság érdekében számos, jól megtervezett kísérletsorozattal validált modellt fogunk felállítani a lejátszódó folyamatok megértésére, leírására, amelyek segítségével polikristályos, nanoméretű szemcséket tartalmazó ötvözetekben lejátszódó folyamatok során létrejövő tulajdonságok befolyásolására lehetünk alkalmasak. Jelenleg is léteznek erre irányuló modellek, azonban azoknál jobb, használhatóbb, termodinamikailag megalapozottabb modelleket, illetve számítási algoritmusokat fogunk tudni megalkotni, amelyeket akár szoftverekbe, szimulációs rendszerekbe is be tudnak építeni.

Az eredmény nem számszerűsíthető, egyéb tulajdonsága: A kutatómunka eredményeként a nanoanyagok egyensúlyi viselkedését leíró ismeretanyaggal leszünk gazdagabbak, amely a későbbiekben is számos területen alkalmazható és további kutatómunkák, nemzetközi együttműködések alapjait teremtheti meg. A kutatómunka során fiatal, MSc, vagy PhD végzettséggel rendelkező, tehetséges kutatók szerezhetnek szakmai tapasztalatot, gyakorlatot, és megfelelő elméleti és infrastrukturális (szoftverek és adatbázis hozzáférések) háttérrel komoly jártasságra tehetnek szert. A létrehozott modellrendszer eredményei interdiszciplináris keretek között is alkalmazható. Fontos további közvetett eredménye a kutatómunkának a nemzetközi kapcsolatépítés, illetve a nemzetközi láthatóságunk fokozása, melyet a szakterület legnevesebb nemzetközi konferenciáin való megjelenéssel és elismert nemzetközi (impakt faktoros) folyóiratokban való publikálással fogunk elérni.

4. műszaki-szakmai eredmény

Eredmény megnevezése: Eljárás kidolgozása TWIP/TRIP hatást mutató többfázisú acélok alacsony hőmérsékletű keményforrasztására: i) A kristálytani textúra hatásának leírása a TWIP/TRIP acélok tulajdonságaira, ii) A keményforrasztás hőhatása által az acél alapanyagban indukált mikroszerkezeti változással járó folyamatok leírása, iii) A keményforrasztási eljárás során kialakuló rugalmas maradó feszültségállapot jellemzése.

Eredmény leírása: A finomszemcsés, TWIP/TRIP hatást mutató acélokat nagy szakítószilárdság (~1000 MPa körüli érétkek), valamint nyúlás (~60%) jellemzi. Az ilyen acélok esetében az oldhatatlan kötés kialakítására a hegesztést alkalmazzák. Hegesztés során azonban az acél összetétele kisebb-nagyobb mértékben megváltozik, ami a tulajdonságok drasztikus romlását okozza. Az ilyen acélok mikroszerkezete többfázisú, melyben gyakran ultrafinomszemcsés (akár µm alatti) fázisok is megtalálhatóak. Ezen fázisok, valamint a jelen lévő martenzites fázisok hőközlés hatására elbomlanak. Összefoglalva, a hegesztés hőhatása által indukált változások drasztikusan megváltoztatják az acélok mikroszerkezetét és tulajdonságait. A nanomultirétegekkel létrehozott alacsony olvadáspontú keményforrasztási eljárás során a forrasztandó acél alapanyagot jóval alacsonyabb hőmérsékleti terhelés éri, ezért az acél eredeti mikroszerkezete, valamint eredeti tulajdonságai többé-kevésbé megőrizhetők. Az alacsony olvadáspontú keményforrasztási eljárás kifejlesztésével így olyan oldhatatlan kötési módszer születhet, ami a hegesztéshez képest kevésbé rontja le az alapanyag tulajdonságait. A keményforrasztással járó anyagszerkezeti változások leírása, valamint a kötés jellemzése szükségszerű. A hőhatás okozta termikus feszültségek miatt maradó rugalmas feszültség ébred a kötés környezetében, amihez hozzáadódik a hűlés során lejátszódó, fajtérfogatváltozással járó fázisátalakulás okozta feszültség. A keményforrasztás során kialakult feszültségállapot jellemzése ezért szintén indokolt.

Az eredmény nem számszerűsíthető, egyéb tulajdonsága: A TWIP és/vagy TRIP hatást mutató acélok rendhagyó mechanikai tulajdonságuk, nevezetesen a nagy szakítószilárdság és nagy nyúlás kombinációjának köszönhetően rendkívüli érdeklődésre tettek szert egyrészt a szerkezeti anyagokkal foglalkozó alapkutatások, másrészt a gyakorlati alkalmazások számtalan területén is. Az egyik legismertebb felhasználási terület az autóipar, ahol az ilyen tulajdonsággal rendelkező acélokat energiaelnyelő elemként alkalmazzák. Az alkalmazásokban azonban számos esetben elkerülhetetlen a TWIP/TRIP acélból készült különálló szerelvények összekapcsolása, melynek megvalósítására napjainkban a hegesztést alkalmazzák. A rendkívül nagy hőhatással járó hegesztés azonban olyan anyagszerkezeti változásokat okoz, melyek hatására az acélok tulajdonságai leromlanak. Ennek eredményeként az acélok jóval gyengébb mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek a hegesztett kötés közelében, mint az alapanyag. Éppen ez az oka annak, hogy a TWIP/TRIP acélok alkalmazása napjainkban korlátozott. A finomszemcsés, TWIP/TRIP hatást mutató többfázisú acélok alacsony hőmérsékletű keményforrasztási eljárás kidolgozásával olyan kötéstechnológiai módszer születhet, amely kisebb mértékben rontja le az alapanyag tulajdonságait, mint a hegesztés. Amennyiben a keményforrasztási eljárással megfelelő szilárdságú és minőségű kötés hozható létre két, különálló TWIP/TRIP acél szerelvény között, a kidolgozott eljárás egy potenciális alternatíva lehet az ilyen típusú acél szerelvények kötéstechnológiájára. Ezen túlmenően, a kidolgozott keményforrasztási eljárás akár a napjainkban alkalmazott hegesztés kiváltására is alkalmas lehet. A keményforrasztási eljárás elterjedésével a TWIP/TRIP acélok alkalmazási területe jelentős mértékben megnövekedhet. Ennek eredményeként az is lehetséges, hogy a TWIP/TRIP acélok olyan alkalmazási területeken is el fognak terjedni, melyekre a hegesztés okozta tulajdonság-romlás miatt korábban nem voltak alkalmasak. Amennyiben a hegesztés kiváltására alkalmas kötéstechnológia fejleszthető ki, az autóipari alkalmazásokban ez nem csak nagyobb utasbiztonságot, hanem a kedvezőbb szilárdság/súly arányú szerkezeti elemek alkalmazását és így alacsonyabb károsanyag-kibocsátást eredményezhet az autóiparban. A TWIP/TRIP acélok alacsony hőmérsékletű keményforrasztási eljárás kidolgozása, a keményforrasztás hatására lejátszódó anyagszerkezeti változások, valamint a keményforrasztás után kialakuló rugalmas maradó feszültségállapot leírása mindegyike újszerű kutatás terület, ami garantálja számos rangos nemzetközi és hazai publikációk, konferenciaelőadások, TDK dolgozatok, diplomamunkák és PhD értekezések megszületését.