III KONFERENCJA RADY PARTNERÓW CZT AERONET i PANELE EKSPERTÓW PROJEKTU 13 – 14 Czerwca 2011 r.

„Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym”

ZB nr 12: Odlewanie precyzyjne stopów Ni na krytyczne części silników lotniczych

Liderzy merytoryczni Prof. dr hab. inż. Jan Cwajna (Politechnika Śląska), Prof. dr hab. inż. Krzysztof J. Kurzydłowski (Pol. Rzeszowska) Instytucje partnerskie w zadaniu Politechnika Rzeszowska, Politechnika Śląska, Politechnika Warszawska.

I i II kwartał 2011 PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO

Łopatki turbiny niskiego ciśnienia i segmenty łopatkowe z nadstopów niklu Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Segmenty osłonowych barier cieplnych strefy spalania z nadstopu kobaltu



Technologia form ceramicznych



Przetapianie stopów wsadowych



Technologia o odlewania



Kontrola jakości odlewów

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Materiałowej

Optymalizacja procesu otrzymywania spinelu glinianu niklu NiAl z nadstopów niklu

2

O

4

– modyfikatora ziarna w odlewach

Autorzy: Zespół wykonawców projektu kluczowego w Politechnice Warszawskiej w zadaniu 12 pod kierunkiem Profesora Krzysztofa J. Kurzydłowskiego

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Opracowano metodę otrzymywania spinelu NiAl

2

O

4

- alternatywnego modyfikatora powierzchniowego odlewów precyzyjnych z nadstopów niklu

Reakcja roztworu stałego

(

mieszanina tlenków metali kalcynowana w powietrzu)

Mechanizm:

CoAl

2

O

4

CoAl

2

O

4

+ Me → Me

x

O

y

+ Al

2

O

3

+ Co + q

(reakcja egzotermiczna)

NiAl

2

O

4

Homogeniczny zarodek krystalizacji

NiAl

2

O

4

+ Me → Me

x

O

y

+ Al

2

O

3

+ Ni + q

(reakcja egzotermiczna)

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Materiał wyjściowy:

Tlenek glinu 

Al 2 O 3

i tlenek niklu

NiO

Alfa Aesar GmbH & Co.KG

wyprodukowane przez firmę

Zakres badań:

 

Laserowa analiza uziarnienia PSD, Skaningowa mikroskopia elektronowa



(SEM), Dyfrakcja rentgenowska (XRD),

 

Spektroskopia rentgenowska (XRF), Pomiar potencjału zeta.

Zakres zmienności parametrów:



Środowisko mieszania: izopropanol i etanol,



Czas mieszania: 24 ÷ 120 godzin,



Temperatura kalcynacji :



Czas kalcynacji : 2

1200 ºC ÷ 1500ºC

÷ 5 godzin

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Zapis dyfraktometryczny próbki 5 w zakresie kątowym 15 ÷ 90° Zapis dyfraktometryczny próbki 5 w zakresie 0 ÷ 50° Wykres zależności intensywności promieniowania ugiętego na płaszczyźnie (220) od czasu i temperatury kalcynacji

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Wnioski:

1) Wysokotemperaturowa synteza mieszaniny tlenków metali (NiO i  Al 2 O 3 umożliwia otrzymanie spinelu NiAl związków reagentów.

2 0 4. Reakcja nie zachodzi ze 100% wydajnością. Obserwuje się w składzie fazowym produktów obecność ) 2) Zaobserwowano wzrost intensywność promieniowania ugiętego na płaszczyźnie o wskaźniku (220) dla glinianu niklu w przypadku próbek wytwarzanych w procesie syntezy prowadzonym w wyższych temperaturach. Zakłada się, że dowodzi to większej koncentracji spinelu glinianu niklu w próbce.

3) Czas mieszania i czas kalcynacji oraz szybkość nagrzewania istotnie wpływają na zawartość spinelu w przygotowanych próbkach.

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Politechnika Rzeszowska Wydział Inżynierii Materiałowej

Badania mikrostruktury i składu chemicznego materiału odlewniczych tygli cyrkonowych

Autorzy: Zespół wykonawców projektu kluczowego w Politechnice Rzeszowskiej w zadaniu 12 pod kierunkiem Profesora Krzysztofa Kubiaka

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Przedmiot badań:

1) eksploatowany wielorazowy tygiel cyrkonowy ZrO 2 tlenkiem magnezu MgO firmy REMET-HOWMET, stabilizowany 2) nowy wielorazowy tygiel cyrkonowy ZrO 2 magnezu MgO firmy MAGNA, stabilizowany tlenkiem 3) nowy wielorazowy tygiel cyrkonowego KERAVIT 8A stabilizowany tlenkiem magnezu MgO firmy Capital Refractories LTD, 4) nowy wielorazowy tygiel cyrkonowego KERAVIT 24 stabilizowany tlenkiem itru Y 2 O 3 firmy Capital Refractories LTD, 5) nowy wielorazowy tygiel cyrkonowego KERAVIT 25 stabilizowany magnezu MgO z dodatkiem tlenku ceru Ce Refractories LTD, 2 O 3 firmy Capital 6) nowy wielorazowy tygiel cyrkonowego KERAVIT 26 stabilizowany magnezu MgO z dodatkiem tlenku ceru Ce Refractories LTD.

2 O 3 firmy Capital

Zakres badań:

analiza mikrostruktury oraz składu mineralogicznego i chemicznego tygli (SEM + EDS)

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Mikrostruktura materiału eksploatowanego wielorazowego tygla ceramicznego firmy Remet-Howmet (SEM )

Powierzchnia przełomu Ziarna ZrO 2 z: MgO < 1%wt, Al 2 O 3 SiO 2 HfO 2 < 1%wt, < 1%wt, < 3%wt.

Powierzchnia zgładu poprzecznego Stabilizator MgO i tlenki: ZrO 2 SiO 2 Al 2 O 3 11%wt, 37%wt,

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Mikrostruktura materiału tygla Remet-Howmet jest niewłaściwa:

• składa się ona z ziaren tlenku cyrkonu ZrO 2 oraz ziaren zawierających głównie stabilizator – tlenek magnezu MgO, • w ziarnach ZrO 2 nie stwierdzono obecności rozpuszczonego tlenku magnezu w zawartości przekraczającej 2.77% wt., co jest podstawą stabilności strukturalnej wysokotemperaturowej fazy ZrO 2 . W wyniku przemiany fazowej t-ZrO 2 ↔ j-ZrO 2 w materiale tygla powstają naprężenia, a dylatacja wymiarów tygla powoduje pękanie zgaru i jego wykruszanie. Ułatwia to procesy erozyjne i przyspiesza reakcję na granicy metal – tygiel.

Zjawiska te mogą być jedną z przyczyn powstawania wad w odlewach.

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Mikrostruktura materiału nowego wielorazowego tygla cyrkonowego KERAVIT 25 stabilizowanego tlenkiemy magnezu MgO z dodatkiem tlenku ceru Ce 2 O 3 firmy Capital Refractories LTD

,

(SEM)

Powierzchnia wewnętrzna

Duże ziarna zestabilizowanej ceramiki cyrkonowej : ZrO 2 93 ÷ 94%, MgO 34,5%, Al 2 O HfO SiO 2 2 3 0,12 ÷ 0,21%, 2 ÷ 2,5%, 0,3%.

Powierzchnia zgładu poprzecznego

Drobnoziarnista zestabilizowaną ceramika ZrO 2 ZrO 2 87 ÷ 89%, MgO 2,5%, Al 2 Ce O HfO 2 2 3 O 3 0,2 ÷ 0,4%, 2,3 ÷ 2,5% 5,5 ÷ 7,4%).

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych



Tygiel Keravit 25 firmy Capital Refractors ma pożądaną , jednofazową mikrostrukturę, o dwumodalnym rozkładzie wielkości ziaren ceramiki cyrkonowej.



Ziarna grube i drobnoziarnista frakcja tlenku są zestabilizowane prawidłowo, a dodatek tlenku ceru podwyższa żaroodporność i żarowytrzymałość materiału tygla.



Porowatość materiału tygla na poziomie 17% zapewnia dostateczną jego odporność na szoki cieplne

.

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Politechnika Śląska Katedra Nauki o Materiałach

1. Analiza wpływu jakości stopów wsadowych

(master heat)

na jakość odlewów.

2. Analiza przyczyn powstawania wad w odlewach precyzyjnych krytycznych części silników lotniczych z nadstopów niklu i nadstopów kobaltu.

Autorzy: Zespół wykonawców projektu kluczowego w Politechnice Śląskiej w ramach zadania 12 pod kierunkiem Profesora Jana Cwajny

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Analiza wpływu jakości stopów wsadowych (master heat) na jakość odlewów.

Sposób ciecia prętów ze stopów master heat, jako jedna z przyczyn zanieczyszczenia odlewów wtrąceniami niemetalicznymi

Zbrojenie tarczy tnącej

Dendryty w jamach skurczowych stopu master heat IN 713C Al 2 O 3 w jamie skurczowej pręta master heat Wtrącenia w kształcie zakrzepniętej kropli

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Analiza wpływu jakości stopów wsadowych (master heat) na jakość odlewów.

Wady odlewów ujawnione w badaniach FPI Skład chemiczny wtrąceń o kształcie zakrzepniętej kropli zawierających Fe, Cr, Al, Si i Mn ujawnionych w stopie master heat i na powierzchni łopatek doświadczalnych z nadstopu IN 713C

Materiał bez jam skurczowych „Z” J)

Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych

Materiał z jamami skurczowymi „J” Z)

Istotne zr ó żnicowanie temperatur krytycznych i czas ó w przemian wyznaczanych w analizie termicznej ATD dla stopu IN 713C – (J) z jamami skurczowymi; (Z) - bez jam skurczowych

Badania 238 łopatek doświadczalnych z nadstopu niklu IN 713C wykazały, że łopatki odlane ze stopów wsadowych bez jam skurczowych (Z) charakteryzowały się, w porównaniu do łopatek odlanych ze stopów wsadowych z jamami skurczowymi (J): zbliżoną liczbę pęknięć, wyraźnie mniejszą liczbą wtrąceń i zażużleń, mniejszą liczbą braków oraz o 17% większym uzyskiem.

Dane do wskaźników realizacji celów projektu

Dane do wskaźników realizacji celów projektu (produktu i rezultatu) uzyskanych w pierwszym i drugim kwartale 2011

Referaty konferencyjne:

1) Moskal G., Cwajna J., Witala B., Cygan R.:

Influence of measurement results of thermal conductivity and heat transfer coefficients on the simulation results of casting process of aircraft engine elements. Defect and Diffusion Forum Vols. 312 – 315; 2011; 566-570

2) Moskal G., Cwajna J., Matysiak H., Staszewski M., Witala B.;

Characterization of thermal and mechanical properties of ceramic shells for casting process.

Engineering Ceramics 2011: From Materials to Components; Smolenice castle, 8 – 12 May 2011; 78-79 3) 4) Student’s Day of Metallurgy, March 17th - 19th 2011, Montanuniversität Leoben.

Kukiełka T.;

Primary dendrite arms spacing of the root of turbine blade

; XIII Międzynarodowa Studencka Sesja Naukowa „

MATERIAŁY I TECHNOLOGIE XXI WIEKU”,

Pol. Śl. 20.05 2010, Katowice,

Referaty konferencyjne

studentów:

1) Dybowski B.: Qualitative and quantitative analysis of microstructure of Nikel-based superalloy ŻS6K; XVIII International Student’s Day of Metallurgy, March 17th - 19th 2011, Montanuniversität Leoben.

2) 3) Kościelniak B.:

Qualitative and quantitative analysis of microstructure of nickel-base superalloy CMSX-4,

XVIII International Student’s Day of Metallurgy, March 17th - 19th 2011, Montanuniversität Leoben, Dybowski B.: Jakościowa i ilościowa analiza mikrostruktury nadstopu niklu ŻS6K; XIII Międzynarodowa Studencka Sesja Naukowa „MATERIAŁY I TECHNOLOGIE XXI WIEKU”, Pol. Śl. 20.05 2010, Katowice.

4) Chmiela B.:

Phase identification in new TBCs after thermal exposure using EBSD method

. International Kościelniak B.;;

Jakościowa i ilościowa analiza mikrostruktury nadstopu CMSX-4 na bazie niklu.

XIII Międzynarodowa Studencka Sesja Naukowa „MATERIAŁY I TECHNOLOGIE XXI WIEKU, Pol. Śl. 20.05 2010, Katowice.

Dane do wskaźników realizacji celów projektu

Dane do wskaźników realizacji celów projektu (produktu i rezultatu) uzyskanych w pierwszym i drugim kwartale 2011

Publikacje w czasopismach :

1) Moskal G., Cwajna J., Witala B., Cygan R.:

Influence of measurement results of thermal conductivity and heat transfer coefficients on the simulation results of casting process of aircraft engine elements. Defect and Diffusion Forum Vols. 312 – 315; 2011; 566-570.

Publikacje planowane:

1) Chmiela B., Sozańska M., Rodak K.;

Phase identification in nickel-base superalloys using

2)

EBSD/SEM method and electron diffraction in STEM

; The XIVth International Conference on Electron Microscopy, June 26-30, 2011, Wisła .

Sozańska M., Chmiela B., Kianicova M., Cwajna J.:

Analysis of microstructure and phase

3)

identification in nickel-base superalloys ZhS6K using EBSD/SEM method

, The XIVth International Conference on Electron Microscopy, June 26-30, 2011, Wisła.

Szczotok A.:

Quantitative evaluation of carbides in nickel-base superalloy MAR-M247

; Technologies and Properties of Modern Utilised Materials, 20 May 2011, IOP Materials Science and Engineering Conference Series.

4) 5) Roskosz S., Cwajna J.:

Quantitative characterization of shrinkage and gas pores in equiaxed and single crystal nickel base superalloys

. IX International Conference on Stereology and Image Analysis in Materials Science, STERMAT 2012, Zakopane,Poland Szczotok A., Cwajna J.:

Quantitative evaluation of gamma prime ( γ’) phase precipitates in CMSX-4 nickel-based superalloy.

IX International Conference on Stereology and Image Analysis in Materials Science, STERMAT 2012, Zakopane,Poland

Dane do wskaźników realizacji celów projektu

Dane do wskaźników realizacji celów projektu (produktu i rezultatu) uzyskanych w pierwszym i drugim kwartale 2011

Prace inżynierskie obronione w I półroczu 2011 r .

Justyna Tomaszewska:

Opracowanie metodyki wytwarzania spinelu NiAl 2 O 4

Promotor: Dr inż. Hubert Matysiak

,

WIM PW, III. 2011.

do modyfikacji nadstopu niklu IN 713C.

Prace magisterskie planowane na 2011 r.

1) Tomasz Kościelny:

Ujawnianie i ocena fazy γ' w monokrystalicznym nadstopie niklu CMSX-4

. Promotor: dr inż. Agnieszka Szczotok, KNoM Pol.Śl., planowany termin obrony V.2011.

2) Ewa Toczyłowska:

Ocena faz węglikowych w nadstopie niklu René 142 DS.

Promotor: dr inż. Agnieszka Szczotok, 3) 4) planowany termin obrony VI.2011.

Dawid Kwaśniewski:

Charakterystyka właściwości cieplnych form ceramicznych przeznaczonych do odlewania elementów z nadstopów niklu

. Promotor: dr inż. Grzegorz Moskal, planowany termin obrony VI.2011.

Łukasz Bednorz:

Analiza zjawisk zachodzących w procesie krystalizacji nadstopów niklu na granicy forma-ciekły metal

. Promotor: dr inż. Joanna Michalska, planowany termin obrony VII.2011.

Prace doktorskie

Mgr Bartosz Chmiela:

Zastosowanie metod mikroanalizy rentgenowskiej i techniki EBSD w badaniach materiałów dla lotnictwa.

Promotor: Dr hab. inż. Maria Sozańska, prof. nzw. w Pol. Śl. Status: Przewód doktorski otwarto 9.XI.2010

Zgłoszenia patentowe dokonane w II półroczu 2011 r.

Brak

Udział studentów (6) / doktorantów (2) i innych wykonawców 29 w ZB 12 (aktualnie)

INNOWACYJNA GOSPODARKA

NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI

UNIA EUROPEJSKA

EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO

Dane do wskaźników realizacji celów projektu

Wskaźnik projektu Jedn. 1 2 3 4 5 6 7 Liczba instytucji (jednostek naukowych) obj ętych wsparciem Liczba pracowników naukowych zaangażowanych w realizacj ę projektu (w tym kobiety) Liczba studentów zaangażowanych w realizację projektu Liczba wykonanych prac dyplomowych (zgłoszonych) Liczba doktorantów zaangażowanych w realizację projektu (w tym kobiety) Liczba nowych miejsc pracy (EPC) zwi ązanych z działalnością B+R powstałych w trakcie realizacji projektu (w tym kobiety) Liczba przedsi ębiorstw współpracujących z jednostką naukow ą w trakcie realizacji projektu Liczba aparatury naukowo-badawczej zakupionej w zwi ązku ze realizowanym projektem Liczba publikacji powstałych w efekcie realizacji projektu szt.

osoby osoby osoby szt.

szt.

szt.

szt.

8

*/ X – docelowo X – wykonanie - I półrocze 2011 2013 (Wykonanie) 3, 3 * 35 (10) 29 (7), 3, 6 1 (4), 2, 1, + 8 5 0, 1, 1, 1 0 (1) (1)

referatów publikacji zgłoszonych

INNOWACYJNA GOSPODARKA

NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI

UNIA EUROPEJSKA

EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO

Stan współpracy z przedsiębiorstwami Doliny Lotniczej

Najpilniejsze problemy do rozwiązania:

1) Udoskonalenie metodyki projektowania technologii precyzyjnego odlewania krytycznych części silników lotniczych z wykorzystaniem wspomagania komputerowego z nadstopów niklu ( PRz , PŚl. i PW).

– opracowanie bazy danych o właściwościach stopów wsadowych, wosków modelarskich oraz materiałów form ceramicznych do symulacji numerycznej procesu zalewania, krystalizacji i krzepnięcia odlewów precyzyjnych krytycznych części silników lotniczych 2) Analiza przyczyn powstawania wad w odlewach precyzyjnych krytycznych części silników lotniczych z nadstopów niklu (PRz, PŚl. i PW).

3) Udoskonalenie elementów systemu zapewnienia jakości procesów wytwarzania oraz odlewów precyzyjnych części silników lotniczych z nadstopów niklu ( PŚl.).

OPRACOWANO WSPÓLNIE Z PARTNEREM PRZEMYSŁOWYM WSK ”PZL Rzeszów”S.A. PROGRAM BADAŃ NA LATA 2011 ÷ 2013

Stan współpracy z przedsiębiorstwami Doliny Lotniczej

Ustalono terminy seminariów (spotkań roboczych) realizatorów Zadań Badawczych Nr 11 i 12 z przedstawicielami partnera przemysłowego, których celem jest podsumowanie dotychczasowych wyników badań i ustalenie dalszych koniecznych prac:

1) 2) 3) 4) 5) 6) Analiza przyczyn powstawania wad ujawnianych w badaniach nieniszczących odlewów precyzyjnych segmentów BOAS z nadstopu kobaltu MAR M 509, łopatek z nadstopów niklu IN 713C i MAR M247 oraz segmentów łopatkowych z nadstopu niklu MAR M247.

– 14.06. 2011 w Wydziale Odlewni Precyzyjnej W-50 WSK „PZL Rzeszów” S.A.

Analiza wpływu jakości stopów wsadowych master heat na jakość odlewów .

w czasie najbliższej wizyty przedstawiciela producenta stopów wsadowych w Wydziale Odlewni Precyzyjnej W-50 WSK „PZL Rzeszów” S.A.

Modyfikacja powierzchniowa i objętościowa odlewów z nadstopów niklu .

lipiec 2011 w Katedrze Technologii Materiałów i Katedrze Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej w Katowicach.

Doskonalenie symulacji komputerowej procesu zalewania i krzepnięcia odlewów

. sierpień 2011 w Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej;

Reakcje na granicach tygiel ciekły metal, ciekły metal-forma ceramiczna i ich wpływ na jakość odlewów . wrzesień 2011

w Wydziale Odlewni Precyzyjnej W-50 WSK „PZL Rzeszów” S.A.

Doskonalenie elementów systemu zapewnienia jakości procesów i odlewów (ocena porowatości, ziaren pierwotnych i mikrostruktury). –

listopad 2011 w Katedrze Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej w Katowicach.

Główne wnioski

Przeprowadzone w I półroczu 2011 zmiany organizacyjne w Zadaniach badawczych ZB 11 i ZB 12 spowodowały widoczne usprawnienie realizacji prac w obydwu zadaniach.

INNOWACYJNA GOSPODARKA

NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI

UNIA EUROPEJSKA

EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO

Podstawowy zespół wykonawców

Politechnika Rzeszowska -

6 (1) Katedra Materiałoznawstwa;

1.

Prof. dr hab. inż. Jan Sieniawski, 2. Prof. nzw . dr hab. inż. Krzysztof Kubiak, 3.

Dr inż. Andrzej Nowotnik, 4.

5.

Dr inż. Małgorzata Wierzbińska, Mgr inż. Stanisław Bąk, 6.

Mgr inż. Rafał Cygan,

Politechnika Ślaska 15 (4) Katedra Nauki o Materiałach Katedra Technologii Materiałów

1.

Prof. dr hab. inż. Hetmańczyk Marek, 2.

Prof. dr hab. inż. Binczyk Franciszek , 3.

4.

5.

6.

7.

Prof. dr hab. inż. Cwajna Jan, Prof. dr hab. inż. Hetmańczyk Marek, Dr hab. inż. Szala Janusz prof. PŚl., Dr hab. inż. Maria Sozańska prof. PŚl., Dr hab. inż. Adamiec Janusz, 8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

Dr inż. Joanna Michalska Dr inż. Marta Mikuśkiewicz Dr inż. Moskal Grzegorz, Dr inż. Roskosz Stanisław, Dr inż. Szczotok Agnieszka, Mgr inż. Staszewski Marek, Mgr inż. Bartosz Chmiela, Mgr inż. Tomasz Kukiełka, Teresa Gąska.

Dane do wskaźników realizacji celów projektu

Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej 10 (2)

1.

Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jan Kurzydłowski, 2.

3.

Dr hab. inż. Halina Garbacz, Dr hab. inż. Krzysztof Rożniatowski, 4.

5.

Dr inż. Grzegorz Krzesiński, Mgr inż. Julia Ferenc, 6.

Mgr inż. Romuald Dobosz, 7.

8.

Prof. dr hab. inż. Mikołaj Szafran, Wydział Chemii PW; Dr hab. inż. Wojciech Fabianowski, Wydział Chemii PW; 9.

Dr inż. Hubert Matysiak, UCB PW; 10.

Dr inż. Jakub Michalski MEGroup;