Projekt MARTIN

Projekt temelji 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.

Pri projektu bomo 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.

Rezultate mikrostrukturne karakterizacije bomo primerjali z modelom in s tem določili/izboljšali napoved razvitega modela; primerjava teorija – realno stanje. Rezultati karakterizacije materialov v določenih fazah bodo tudi vstopni podatki za razvoj modela. Sestavo izbranih aluminijevih zlitin in termično obdelavo bomo določili skupaj s predstavniki iz industrije. Karakterizacija zlitin bo potekala po vsaki stopnji toplotne obdelave (strjevanje, homogenizacija, rekristalizacija …), tako da bomo dobili mikrostrukturne lastnosti (razvoj mikrostrukture) v vsaki posamezni fazi in te primerjali z napovedmi iz modela. Z realno mikrostrukturo bomo omogočili razvoj modela za napoved mikrostrukturnih in mehanskih lastnosti materiala po posamezni toplotni obdelavi in s tem omogočili natančnejše napovedovanje lastnosti končnega materiala.

MARTIN bo izboljšal konkurenčnost slovenske industrije aluminija in prispeval k ustvarjanju znanja in metod za preoblikovanje tega sektorja iz energijsko in okoljsko intenzivne industrije v industrijo znanja ter to industrijo popeljal v smeri industrije 4.0.

Projekt bo vpeljal nove metode pri razvoju izdelkov na podlagi večfizikalnega in večnivojskega sklopljenega modeliranja in bo omogočil izdelavo visokokakovostnih izdelkov tudi na podlagi velikega deleža recikliranega aluminija. To bo omogočilo razvoj širše palate visokokakovostnih aluminijevih zlitin in izboljšanje učinkovitosti izdelave.

MARTIN predstavlja pomembno vsebinsko spremembo industrijskih raziskav in razvoja, saj dopolnjuje uveljavljene eksperimentalne raziskave z uvedbo novih simulacijskih metod, njihovo bistveno nadgradjo ter povezovanje. To bo omogočilo kakovostnejšo proizvodnjo, integracijo materialne zmogljivosti in optimizacijo končnih lastnosti izdelkov. Opisano bo pripomoglo k zmanjšanju eksperimentalnega razvoja in raziskav ter dragega poskušanja 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 razvejanih procesnih poti aluminijevih zlitin in bo tako pripomogel k optimizaciji teh poti.

MARTIN bo vplival na bistveno zmanjšanje stroškov in porabe energije pri razvoju novih zlitin ter izdelkov. Multidisciplinarno bo povezal simulacijska orodja v projektu nastopajočih institucij znanja, njihovo laboratorijsko in industrijsko verifikacijo.

Delovni načrt projekta povezuje industrijske raziskave (IR) in eksperimentalni razvoj (ER), kot usklajenost med procesi TRL 3-6 ter verigami in mrežami vrednosti. Takšna struktura načrta omogoča učinkovito dinamiko izvajanja posameznih aktivnosti, hitro in učinkovito ukrepanje ob morebitnem pojavu tveganj ter optimalno izkoriščanje virov.

Projekt zajema 6 delovnih paketov (DP) znotraj katerih so načrtovane posamezne aktivnosti. Prvih 5 DP je namenjenih IR na posameznem področju, za zagotovitev temeljnega znanja, popisa zakonitosti in zadostne baze laboratorijskih raziskav in izkušenj, ki jih bomo kasneje uporabili v namen ER v zadnjem DP6.

DP1 je namenjen izdelavi izbranih gnetnih in livnih aluminijevih zlitin, iz različnih vložkov in pri različnih procesnih parametrih, ki bodo služile za osnovo pri nadaljnjih preiskavah. DP2 je namenjen kvalitativni in kvantitativni opredelitvi mikrostrukturnih sestavin na različnih nivojih, za pridobivanje vstopnih podatkov in evalvacijo matematičnega modela strjevanja, homogenizacije, preoblikovanja, raztopnega žarjenja in termomehanskih testov. DP3 je namenjen termodinamičnemu modeliranju ravnotežnega in neravnotežnega stanja pri izdelavi in obdelavi aluminijevih zlitin. DP4 je namenjen razvoju mikrostrukturnih sestavin po posameznih izdelovalnih tehnologijah. DP5 je namenjen modeliranju procesa strjevanja, homogenizacijskega žarjenja, preoblikovanja, raztopnega žarjenja in termomehanskih testov. DP6 je namenjen testiranju preoblikovalnosti ter z njim povezanih termomehanskih parametrov, rekristalizacije in deformacijskega utrjevanja s poudarkom na stopnji homogenizacijskega žarjenja pri laboratorijskih razmerah.

Delo je razdeljeno v delovne pakete (DP) ter podrobneje na aktivnosti(A) (naloge). Za vsak DP so opredeljeni vodilni ter ostali sodelujoči partnerji.

Vodilni partner: IMPOL

Sodelujoče organizacije: TALUM, IMT, ULNTF in C3M

Kratek opis in namen:

Izbrane aluminijeve zlitine se bodo izdelale iz optimalnega razmerja primarnega in skundarnega materiala. Prav tako bodo zlitine lite z različnimi postopki in procesnimi parametri z namenom vpliva le teh na mikrostrukturne sestavine in mehanske lastnosti. Namen delovnega paketa je izdelati izbarne aluminijeve zlitine, ki bodo služile kot osnova za nadaljnje poglobljene študije v sklopu ostalih delovnih paketov.

Aktivnosti:

A1.1: Vpliv 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 njen vpliv na mehanske lastnosti.

Vodilni partner: IMT

Sodelujoče organizacije: IMPOL, TALUM, ULNTF, C3M in TUBA

Kratek opis in namen:

Za pridobivanje vstopnih podatkov in evalvacijo matematičnega modela strjevanja, homogenizacije, preoblikovanja, raztopnega žarjenja in termomehanskih testov aluminijevih zlitin, bomo na vzorcih izbranih aluminijevih zlitin uporabili različne metode karakterizacije mikrostrukture. Makroanaliza bo opravljena s svetlobno mikroskopijo (LM), opazovanje sprememb na mikrometrskem nivoju, t.j. morfologije, velikosti zrn in faznega kontrasta pa z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM). Kemijska sestava posameznih faz, precipitatov, zrn ipd. se bo določala z energijsko disperzijsko spektroskopijo (EDS), ki omogoča kvantitativno analizo področij, ki so večja in globlja od 1-1,5 mikrometra, analizna natančnost pa je ocenjena okoli 0,1 at.% absolutno. Do 100-krat natančnejšo analizo kemijske sestave z boljšo prostorsko resolucijo na račun nižje pospeševalne napetosti elektronskega snopa, omogoča valovna disperzijska spektroskopija (WDS), ki se uporablja v kombinaciji z EDS v primeru prekrivanja signalov določenih elementov, ali kadar je teh zelo malo (elementi v sledovih). Za analizo migracije elementov med homogenizacijo bomo uporabili WDS, kjer bomo natančno določili profil elementov v mikrostrukturi. Metoda ECCI (electron channeling contrast imaging – elektronska mikroskopija kanalskega kontrasta) nam omogoča opazovanje dislokacij s SEM mikroskopom, kar je lahko velika prednost zaradi velikega področja, ki ga lahko opazujemo napram TEM mikroskopu.

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).

Vodilni partner: ULNTF

Sodelujoče organizacije: IMPOL, TALUM, IMT in C3M

Kratek opis in namen:

Za ustrezno načrtovanje in modeliranje tehnoloških procesov izdelave in obdelave aluminijevih zlitin so termodinamične metode obravnavanja neobhodne za določanje faznih ravnotežij. Za verifikacijo termodinamičnih modelov uporabljamo termične analize (DSC, DTA, dilatometrija, TG …) in mikrostrukturne karakterizacije. Z njimi dobimo tudi rezultate za neobhodne parametre modeliranja procesov strjevanja, homogenizacije, rekristalizacije, staranja, itd. ter validacijo le-teh. Namen DP3 je termodinamično modelirati ravnotežna in neravnotežna stanja pri izdelavi in obdelavi aluminijevih zlitin. S termičnimi analizami bomo določili karakteristične podatke za modeliranje kot so: karakteristične temperatura strjevanja in precipitacije, entalpije procesov pri ohlajanju in določali poteke strjevanja in toplotnih obdelav. Pomemben del preiskav bo usmerjen v preiskavo vpliva ohlajevalne hitrosti na fazna ravnotežja in končno velikost, sestavo ter porazdelitev mikrostrukturnih konstituentov. Končna bodo laboratorijska testiranja na osnovi zgornjih rezultatov omogočila tudi modeliranje kinetike toplotnih obdelav z DSC in meritvami električne prevodnosti vzorcev.

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.

Vodilni partner: IMT

Sodelujoče organizacije: IMPOL, TALUM, ULNTF, C3M in TUBA

Kratek opis in namen:

Namen delovnega paketa je analiza razvoja mikrostrukture po posameznih izdelanih fazah ob uporabi razvitega modela. Na osnovi rezultatov analize bomo lahko podatke uporabili za povratno zanko numerično razvitega modela. Eksperimentalno fizikalno modeliranje preoblikovanja bo izvedeno na simulatorju metalurških stanj Gleeble 1500D. Na osnovi rezultatov tega delovnega paketa bomo dobljene podatke uporabili za inverzne analize, s katerimi bomo določili parametre razvitih sklopljenih modelov.

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.

Vodilni partner: C3M

Sodelujoče organizacije: IMT, ULNTF, IMPOL, TALUM

Kratek opis in namen:

Glavni cilj delovnega paketa je vzpostavitev simulacijskega sistema procesne poti aluminijevih polizdelkov. Sistem bo sestavljen iz parcialnih modelov za posamezne faze procesov, ki bodo med seboj sklopljeni ter tako omogočali numerično analizo celotne procesne poti. Sklopitve med posameznimi modeli bodo vzpostavljene na različnih nivojih. Kjer bo to mogoče, bodo modeli med seboj tesno sklopljeni z vzpostavijo povratnih zank. V primerih šibke sklopitve bo vzpostavljena verižna izmenjava podatkov med modeli.

Posebna aktivnost bo osredotočena na modeliranje eksperimentov, ki se bodo izvajali v sklopu aktivnosti fizikalnega modeliranja preoblikovanja DP4: Razvoj mikrostrukturnih sestavin po posameznih izdelovalnih tehnologijah. Modeli bodo služili predvsem za inverzno določanje parametrov modelov, ki jih med samim preizkusom ni mogoče neposredno meriti. V celotnem času trajanja delovnega sklopa bo potekala vzporedna validacija modelov; predvsem na podlagi eksperimentalnih rezultatov iz delovnega sklopa DP2: Karakterizacija mikrostrukturnih sestavin ter predvsem DP4: Razvoj mikrostrukturnih sestavin po posameznih izdelovalnih tehnologijah. Pomembna je tudi povezava z delovnim sklopom DP3: Termodinamska in termična obravnava faznih ravnotežij saj bodo predvsem modeli na nižjih dimenzijskih skalah odvisni od kvalitete ravnotežnih termodinamskih podatkov.

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.

Vodilni partner: TALUM

Sodelujoče organizacije: IMPOL, IMT, ULNTF, C3M in TUBA

Kratek opis in namen:

Namen delovnega paketa je testiranje in validacija numeričnih modelov strjevanja, homogenizacijskega žarjenja, preoblikovanja, raztopnega žarjenja in termomehanskih testov pri industrijskih razmerah v laboratorijskem okolju. Tako se bodo raziskale stopnja rekristalizacije, stopnja homogenizacije, raztapljanje posamičnih faz ter vpliv posamičnih toplotnih obdelav na mehanske lastnosti aluminijevih zlitin.

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.