MARTIN
Modeliranje termomehAnskega pRocesiranja aluminijevih zliTIn za vrhuNske izdelke
Namen in cilji projekta
Osrednji cilj projekta je bil okrepiti položaj in vlogo slovenske industrije na področju aluminija in njegovih zlitin ter dvigniti konkurenčnost na globalnem trgu s prehodom iz standardnih v razvojne dobavitelje v mednarodnih verigah in mrežah vrednosti. Pri tem se ta industrija zaveda, da je moderna računalniška simulacija bistvenega pomena za uspeh v mednarodni konkurenci, ker so sami preizkusi pogosto predragi, dolgotrajni, nevarni ali celo neizvedljivi. V sodobnih raziskavah in razvoju industrija aluminija vse bolj uporablja modeliranje, simulacijo in vizualizacijo s pomočjo visoko zmogljivih računalnikov.
V projektu smo modelirali termomehansko procesiranje aluminijevih zlitin za vrhunske izdelke. Pri tem smo razvili nove mikrostrukturne modele, jih povezali v simulacijski sistem, jih eksperimentalno laboratorijsko potrdili in vgradili ter validirali v proizvodnjo polizdelkov.
Na osnovi izdelanega modela lahko industrijski partnerji natančneje in bolj ciljno vodimo celoten proces izdelave aluminijevih zlitin od procesa strjevanja, homogenizacije, do preoblikovanja in ostalih procesnih korakov.
S povečanjem stopnje sodelovanja in interdisciplinarnosti med podjetji in raziskovalnima organizacijama smo v projektu realizirali naslednje specifične naloge:
Izdelava izbranih gnetnih in livnih aluminijevih zlitin.
Kvalitativna in kvantitativna opredelitev mikrostrukturnih sestavin na mikro in nano nivoju.
Termodinamska in termična obravnava faznih ravnotežij.
Razvoj mikrostrukturnih sestavin po posameznih izdelovalnih tehnologijah.
Razvoj celovitega simulacijskega sistema procesne poti aluminijevih polizdelkov.
Testiranje preoblikovalnosti ter z njim povezanih termomehanskih parametrov, rekristalizacije in deformacijskega utrjevanja s poudarkom na stopnji homogenizacijskega žarjenja.
»Naložbo sofinancirata Republika Slovenija in Evropska unija iz Evropskega sklada za regionalni razvoj.«
PODROBNEJE O PROJEKTU
KONCEPT IN PRISTOP
Projekt je temeljil na razvoju celovitega simulacijskega sistema procesne poti aluminijevih polizdelkov.
Strjevanje, homogenizacija, rekristalizacija in druge toplotne in utrjevalne obdelave aluminijevih zlitin so pomemben del procesa za nastajanje kvalitetnih zlitin in za napovedovanje njihovih končnih lastnosti oz. lastnosti po določeni toplotni obdelavi, zato je potrebna natančna karakterizacija materiala v različnih fazah predelave.
Rezultati
Pri projektu smo vzporedno z razvijanjem modela za napovedovanje mikrostrukturnih in mehanskih lastnosti aluminijevih zlitin pripravili določene šarže zlitin s točno določeno kemijsko sestavo in toplotno obdelavo ter naredili podrobno mikrostrukturno karakterizacijo in mehansko testiranje teh zlitin.
Rezultate mikrostrukturne karakterizacije smo primerjali z modelom in s tem določili/izboljšali napoved razvitega modela; izvedena je bila primerjava teorija – realno stanje. Rezultati karakterizacije materialov v določenih fazah so služili tudi kot vstopni podatki za razvoj modela. Sestavo izbranih aluminijevih zlitin in termično obdelavo smo določili skupaj s predstavniki iz industrije. Karakterizacija zlitin je potekala po vsaki stopnji toplotne obdelave (strjevanje, homogenizacija, rekristalizacija …), tako da smo dobili mikrostrukturne lastnosti (razvoj mikrostrukture) v vsaki posamezni fazi in te primerjali z napovedmi iz modela. Z realno mikrostrukturo smo omogočili razvoj modela za napoved mikrostrukturnih in mehanskih lastnosti materiala po posamezni toplotni obdelavi in s tem omogočili natančnejše napovedovanje lastnosti končnega materiala.
Razvoj
MARTIN je prispeval k izboljšanju konkurenčnosti slovenske industrije aluminija in k ustvarjanju znanja in metod za preoblikovanje tega sektorja iz energijsko in okoljsko intenzivne industrije v industrijo znanja.
Projekt je vpeljal nove metode pri razvoju izdelkov na podlagi večfizikalnega in večnivojskega sklopljenega modeliranja in omogočil izdelavo visokokakovostnih izdelkov tudi na podlagi velikega deleža recikliranega aluminija. To je prispevalo k razvoju širše palete visokokakovostnih aluminijevih zlitin in k izboljšanju učinkovitosti izdelave.
MARTIN predstavlja pomembno vsebinsko spremembo industrijskih raziskav in razvoja, saj dopolnjuje uveljavljene eksperimentalne raziskave z uvedbo novih simulacijskih metod. Projekt je prispeval h kakovostnejši proizvodnji, integraciji materialne zmogljivosti in optimizaciji končnih lastnosti izdelkov. To je pripomoglo k zmanjšanju eksperimentalnega razvoja in raziskav ter dragega preizkušanja na industrijskih napravah. Novo znanje in izkušnje, ustvarjene z vpeljavo vrhunskih, že nagrajenih znanstvenih rezultatov (denimo Zoisova nagrada, nagrada ICCES) v industrijsko uporabna orodja za simulacijo termomehanskega procesiranja celotnih procesnih poti aluminijevih zlitin, je tako pripomoglo k optimizaciji razvoja novih izdelkov. MARTIN je tako prispeval k bistvenemu zmanjšanju stroškov in porabe energije pri razvoju novih zlitin ter izdelkov.
TRAJANJE PROJEKTA
Projekt je trajal od 1. 1. 2019 do 31. 12. 2021.
Naložbo sofinancirata Republika Slovenija in Evropska unija iz Evropskega sklada za regionalni razvoj. www.eu-skladi.si
REALIZIRANI DELOVNI PAKETI IN KLJUČNE AKTIVNOSTI
Delovni načrt projekta je povezoval industrijske raziskave (IR) in eksperimentalni razvoj (ER). Takšna struktura načrta je omogočala učinkovito dinamiko izvajanja posameznih aktivnosti, hitro in učinkovito ukrepanje ob morebitnem pojavu tveganj ter optimalno izkoriščanje virov.
Projekt je zajemal 6 delovnih paketov (DP), znotraj katerih so bile načrtovane posamezne aktivnosti. Prvih 5 DP je bilo namenjenih IR na posameznem področju – za zagotovitev temeljnega znanja, popisa zakonitosti in zadostne baze laboratorijskih raziskav in izkušenj, ki smo jih kasneje uporabili v namen ER v DP6.
DELOVNI PAKETI
DP1 je bil namenjen izdelavi izbranih gnetnih in livnih aluminijevih zlitin, iz različnih vložkov in pri različnih procesnih parametrih, ki so služile za osnovo pri nadaljnjih preiskavah. Cilj DP2 je bila kvalitativna in kvantitativna opredelitev mikrostrukturnih sestavin na različnih nivojih, za pridobivanje vstopnih podatkov in evalvacijo matematičnega modela strjevanja, homogenizacije, preoblikovanja, raztopnega žarjenja in termomehanskih testov. V okviru DP3 je bilo izvedeno termodinamično modeliranje ravnotežnega in neravnotežnega stanja pri izdelavi in obdelavi aluminijevih zlitin. Cilj DP4 je bil razvoj mikrostrukturnih sestavin po posameznih izdelovalnih tehnologijah. DP5 je bil namenjen modeliranju procesa strjevanja, homogenizacijskega žarjenja, preoblikovanja, raztopnega žarjenja in termomehanskih testov. V okviru DP6 je bilo izvedeno testiranje preoblikovalnosti ter z njim povezanih termomehanskih parametrov, rekristalizacije in deformacijskega utrjevanja s poudarkom na stopnji homogenizacijskega žarjenja pri laboratorijskih razmerah.
Slika: Pozicioniranje posameznih razvojnih aktivnosti (delovnih paketov) znotraj spektra od ideje do aplikacije
Raziskovalno delo je bilo razdeljeno v delovne pakete (DP) ter podrobneje na aktivnosti(A) (naloge). Za vsak DP so bili opredeljeni vodilni ter ostali sodelujoči partnerji.
DP1: Izdelava izbranih gnetnih in livnih aluminijevih zlitin
Vodilni partner: IMPOL
Sodelujoče organizacije: TALUM, IMT, ULNTF in C3M
Izvedene aktivnosti:
A1.1: Analiza vpliva sestave vložka in procesnih parametrov litja na morfologijo mikrostrukturnih sestavin izbranih gnetnih in livnih aluminijevih zlitin v litem stanju.
A1.2: Razvoj mikrostrukturnih sestavin in analiza vpliva teh sestavin na mehanske lastnosti.
DP2: Karakterizacija mikrostrukturnih sestavin
Vodilni partner: IMT
Sodelujoče organizacije: IMPOL, TALUM, ULNTF, C3M in TUBA
Izvedene aktivnosti:
A2.1: Analiza mikrostrukturnih sestavin na mikro (LM/SEM) in nano nivoju (TEM) po različnih izdelovalnih tehnologijah.
A2.2: Analiza mikrokemijske sestave (SEM/EDS/WDS) po procesu strjevanja in homogenizacije.
A2.3: Analiza teksture (SEM/EBSD) po fazi termomehanske predelave (rekristalizacija).
DP3: Termodinamska in termična obravnava faznih ravnotežij
Vodilni partner: ULNTF
Sodelujoče organizacije: IMPOL, TALUM, IMT in C3M
Izvedene aktivnosti:
A3.1: Termodinamično modeliranje ravnotežnih in neravnotežnih faznih stanj s programom ThermoCalc.
A3.2: Določanje karakterističnih temperatur in entalpij s termičnimi analizami (DSC in ETA).
A3.3: Določanje vpliva ohlajevalne hitrosti strjevanja in ohlajanja na fazna ravnotežja in velikosti in porazdelitev mikrostrukturnih konstituentov.
A3.4: Laboratorijske preiskave kinetike toplotnih obdelav z DSC in meritvami električne prevodnosti.
DP4: Razvoj mikrostrukturnih sestavin po posameznih izdelovalnih tehnologijah
Vodilni partner: IMT
Sodelujoče organizacije: IMPOL, TALUM, ULNTF, C3M in TUBA
Izvedene aktivnosti:
A4.1: Analiza mikrostrukture po numerično razvitem modelu strjevanja.
A4.2: Analiza mikrostrukture po numerično razvitem modelu homogenizacijskega žarjenja.
A4.3: Analiza mikrostrukture po numerično razvitem modelu eksperimentov preoblikovanja.
A4.4: Analiza mikrostrukture po numerično razvitem modelu raztopnega žarjenja.
A4.5: Analiza mikrostrukture po numerično razvitem modelu termomehanskih testov.
DP5: Numerično modeliranje
Vodilni partner: C3M
Sodelujoče organizacije: IMT, ULNTF, IMPOL, TALUM
Izvedene aktivnosti:
A5.1: Modeliranje strjevanja.
A5.2: Modeliranje homogenizacijskega žarjenja.
A5.3: Modeliranje preoblikovanja.
A5.4: Modeliranje raztopnega žarjenja.
A5.5: Sklopitev modelov.
A5.6: Modeliranje in inverzna analiza termomehanskih testov.
A5.7: Validiranje numeričnih modelov pri laboratorijskih pogojih.
A5.8: Določitev postopkov za identifikacijo parametrov potrebnih za numerične modele.
DP6: Testiranje pri industrijskih pogojih v laboratorijskem okolju
Vodilni partner: TALUM
Sodelujoče organizacije: IMPOL, IMT, ULNTF, C3M in TUBA
Izvedene aktivnosti:
A6.1: Testiranje numeričnih modelov strjevanja, homogenizacijskega žarjenja, preoblikovanja, raztopnega žarjenja in termomehanskih testov pri industrijskih razmerah v laboratorijskem okolju.
A6.2: Preučitev vpliva različnih termomehanskih procesov na mehanske lastnosti končnega produkta.
Novice
Izvedena delavnica za testiranje prototipa numeričnega modela za proces valjanja
Na delavnici, ki je bila izvedena 17. avgusta 2020, so bili prisotni raziskovalci v okviru projekta Martin ter drugi zaposleni, ki bodo sodelovali pri testiranju numeričnega...
Razvoj zlitin nove generacije, inovacij in novih izdelkov
Razvoj novih zlitin z izboljšanimi mehanskimi lastnostmi, novih tehnologij in inovacij ter numeričnih modelov za modeliranje termomehanskega procesiranja aluminijevih zlitin so glavni cilji...
Raziskovalci rezultate v okviru projekta Martin uspešno predstavili na mednarodni livarski konferenci
Raziskovalci iz Naravoslovnotehniške fakultete Univerze v Ljubljani ter iz skupine Impol so rezultate analiz, izvedenih v okviru projekta Martin, uspešno predstavili na mednarodni livarski...
Trajnostni proces pridobivanja Al-zlitin z elektroliznim procesom
V sklopu Projekta MARTIN smo na področju laboratorijskega razvoja trajnostnega pridobivanja Al- zlitin z elektroliznim procesom dosegli prve laboratorijske rezultate in se prijavili na razpis za...
