Projekti / Programi
Nova generacija jekel za energetiko z nano-delci modificirano mikrostrukturo in povečano odpornostjo na lezenje
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Cr jeklo, mikrostruktura, nano-delci, lezenje, žilavost, plazma
Raziskovalci (17)
Organizacije (2)
Povzetek
Termoelektrarne na fosilna goriva proizvedejo cca. 40% svetovne energije, ki bo zaradi nenehnega povečevanja porabe električne energiji potreben tudi v prihodnosti. Večina termoenergetskih postrojenj obratuje pri temperaturah pare do 600°C, s čimer se dosega do 40% učinkovitost. Učinkovitost termoenergetskih postrojenj je v direktni povezavi s temperaturo in tlakom pare, kjer že minimalen dvig temperature pomeni znaten prihranek energije ter manjše obremenjevanje okolja z CO2 izpustom. Tlak in temperatura pare pa sta omejena z lastnostmi uporabljenih materialov. Pri materialih namenjenih komponentam v termoenergetskih postrojenjih je ključnega pomena odpornost proti deformaciji z lezenjem, dobra korozijska odpornost in odpornost proti širjenju razpok.
Z razvojem jekel s povečano vsebnostjo kroma je bil že v 50-h letih prejšnjega stoletja narejen izreden napredek na področju odpornosti jekel proti deformaciji z lezenjem in s tem omogočeno delovanje pri temperaturah do 600°C. Zahteve po povečanju učinkovitosti in temperaturne obstojnosti komponent ter izredno kompleksna narava vpliva vrste, vsebnosti in kombinacije legirnih elementov na mikrostrukturo jekla pa neprestano diktirajo razvoj novih oz. modifikacijo in optimizacijo sestave obstoječih jekel.
Lezenje je proces deformacije jekla z majhno hitrostjo, ki poteka s premikanjem vrzeli in dislokacij. Gibanje vrzeli in dislokacij v mikrostrukturi zavirajo predvsem meje med zrni, raztopljeni atomi v trdni raztopini ter prisotnost izločkov. Pri tem so trdnostne lastnosti in odpornost jekla na deformacijo z lezenjem odvisne predvsem od velikosti, porazdelitve in volumskega deleža termodinamično stabilnih izločkov. Elementi mikrostrukture 9-12% Cr jekel pomembni za povečanje odpornost na deformacijo z lezenjem so fini MX in M23C6 izločki ter Lavesova faza. Po drugi strani pa se pri dolgotrajni izpostavljenosti napetosti in povišani temperaturi tvori Z-faza in to na račun raztapljanja finih MX delcev, ključnih za doseganje dobre odpornosti na deformacijo z lezenjem. Tako Z-faza kot Lavesova faza pa rasteta med procesom lezenja in s tem negativno vpilvata na odpornost na lezenje. Slaba stran 9-12% Cr jekel je tudi v zmanjšanju lomne žilavosti, povezana s prisotnostjo karbidov.
Najbolj znan predstavnik feritno-martenzitnih jekel, ki se je pričel uporabljati v petdesetih letih prejšnjega stoletja in je še vedno eno izmed najpogosteje uporabljanih jekel za termoenergetske objekte v srednji Evropi, je jeklo X20CrMoV12-1, z visoko vsebnostjo M23C6 karbidov. V sredini 70-ih so v ZDA razvili jeklo P91 z zmanjšano vsebnostjo C in Cr (9Cr-1Mo) ter dodatkom V in Nb, ki ima boljšo odpornost na lezenje, a zaradi znižane vsebnosti Cr slabšo korozijsko obstojnost. Druga možnost povečanja odpornosti na lezenje je v utrditvi feritnih jekel z nano-oksidnimi delci, kot so TiO2 in Y2O3, ki pa zahteva drago in kompleksno izdelavo po metalurgiji prahov. Prav zaradi kompleksnosti postopka izdelave in cene taka jekla niso primerna za masovno proizvodnjo. Druga možnost je direktno dodajanje nano-delcev v talino, ki pa je zaradi slabe omočljivosti, skepljanja delcev in topnosti ogljika v jeklu zelo omejena. Rešitev tega problema se kaže v uporabi plazme. Prednost plazme je predvsem v optimizaciji površine, ki omogoča popolno omočenje in povečanje površinske energije.
Cilj raziskave je raziskati možnosti direktnega legiranja jekla z nano-delci in razviti jeklo odporno na deformacijo z lezenjem pri temperaturah preko 650°C. Osnovna ideja je vplivati na lastnosti jekla z modifikacijo mikrostrukture na nanonivoju, kar naj bi dosegli s spremembo in optimizacijo vrste in vsebnosti legirnih elementov, izpopolnitvijo termomehanske in toplotne obdelave, predvsem pa z modifikacijo površine nano-delcev s plazmo ter uspešnim direktnim dodajanjem le-teh v talino. Ob izboljšanju odpornosti na deformacijo z lezenjem nano-modifikacija mikrostrukture naj ne bi vplivala na poslabšanje mehanskih in korozijskih lastnosti je
Pomen za razvoj znanosti
Kljub temu, da je projekt izrazito aplikativne narave in osredotočen na razvoj novega jekla za energetiko pa vsebinsko v celoti sovpada s prednostnimi nacionalnimi raziskovalnimi cilji in evropskimi smernicami v programu Horizon 2020. Tematika projekta povezuje področje naprednih materialov in nanotehnologije s tehnološkim razvojem za trajnostno gospodarstvo, pri čemer je poudarjen razvoj materialov za ekstremne pogoje delovanja in vključevanje nanomaterialov v obstoječe proizvodne sisteme. Ključno vprašanje pri tem je kako cenovno ugodno doseči razvoj oz. vgradnjo stabilnih nano-delcev v mikrostrukturo jekla in s tem zagotoviti superiorne lastnosti v širokem temperaturnem območju.
Znanstveni doprinos predlaganega projekta je načrtovan na dveh področjih in sicer v celovitem pristopu raziskave medsebojnega vpliva različnih parametrov procesa izdelave jekla na tvorjenje fino razporejenih stabilnih faz in s tem povezane visoko-temperaturne obstojnosti jekla, ter možnosti in vpliva direktnega legiranja taline z nano-delci. Na podlagi rezultatov teoretičnih termodinamičnih analiz, eksperimentov lezenja in analize mikrostrukture bo pridobljeno novo znanje o razvoju in elementih mikrostrukture ter mehanizmih utrjevanja, ki vplivajo na obnašanje in lastnosti jekla pri dolgotrajni izpostavljenosti visokim temperaturam in tlakom. Na področju modifikacije sestave vidimo znanstveni doprinos v določitvi medsebojnega vpliva različnih legirnih elementov na nastanek in povečanje stabilnost Lavesove faze, MX karbonitridov in M23C6 karbidov oz. možnostih nastanka nano-precipitatov ter zaviranju nastanka in rasti Z-faze. Raziskava vpliva pogojev termomehanske in toplotne obdelave bo dala odogovor na možnosti vnašanja dodatnih nukleacijskih mest za precipitacijo in dodatne stabilizacije mikrostrukture. Iz analize razvoja mikrostrukture bo moč določiti tudi zmožnost teoretičnih termodinamskih orodij za popis nastanka in razvoja realne mikrostrukture, v povezavi z eksperimenti lezenja pa razviti pol-empirične odvisnosti za popis hitrosti rasti izločkov v odvisnosti od sestave, temperature, velikost, medsebojne oddaljenosti in volumskega deleža izločkov. Analiza širšega spektra lastnosti bo ključna za določitev elementov mikrostrukture, ki ob izboljšanju odpornosti na deformacijo z lezenjem ne vodijo do poslabšanja ostalih lastnosti, predvsem korozijske odpornosti. Na drugi strani bo raziskava možnosti direktnega dodajanja nano-delcev v talino ena redkih na tem področju, s čimer se odpirajo izjemne možnosti nadaljnje izboljšave lastnosti jekel. Z uspešno realizacijo dodajanja nano-delcev v talino pa se odpira možnost uvajanja nano-tehnologij v klasične proizvodne procese.
Glede na relevantnost in pomen tematike v celotnem svetovnem prostoru pričakujemo, da bodo rezultati raziskav in dognanja patentirani in objavljeni v vrhunski mednarodni znanstveni literaturi, tako s področja materialov kot tudi nano-znanosti. S sodelovanjem s strokovnjaki iz drugih inštitucij in industrijo bomo zagotovili tudi sprotni prenos in implementacijo rezultatov raziskave v praksi.
Pomen za razvoj Slovenije
Termoelektrarne na fosilna goriva proizvedejo cca. 40% svetovne energije, zaradi nenehnega povečevanja povpraševanja po električni energiji pa se bo ta trend nadaljeval tudi v naslednjih 30 letih. Trenutno dosegajo do 45% učinkovitost. Za povečanje učinkovitosti in zmanjšanje porabe energije ter izpusta CO2 in s tem vpliva na okolje je potrebno povečati temperaturo in tlak pare, ki vstopa v turbino. To pa diktira uporabo novih, temperaturno bolj obstojnih materialov. Kljub obstoju materialov z izjemnimi visoko-temperaturnimi lastnostmi, njihova draga in kompleksna izdelava omejuje njihovo množično uporabo. Tako jekla, izdelana po klasičnih jeklarskih metodah še vedno ostajajo glavni material za komponente termoenergetskih objektov.
Projekt je pomemben za sofinancerja tega projekta, kakor tudi za celotno slovensko in tudi svetovno jeklarsko industrijo. Rezultati bodo omogočil izdelavo jekla z nanostrukturno modificirano mikrostrukturo in s tem doseganje precej boljše odpornosti na deformacijo z lezenjem oz. razširitev področja delovanja. Po drugi strani bo koncept utrditve mikrostrukture jekla z direktnim vgrajevanjem nanodelcev možno prenesti tudi na druge tipe jekel in tudi tam doseči izboljšanje lastnosti. Sofinancer projekta že od začetka devetdesetih let sistematično vlaga v razvoj znanja, ki se odraža predvsem v povečevanju kvalitete njihovih orodnih jekel in stalni prisotnosti na svetovnem trgu. Z razvojem jekla za energetiko z nanostrukturno modificirano mikrostrukturo pa se sofinancerju povečujejo možnosti delovanja na zelo obsežnem trgu jekel za energetiko. Razvoj novega temperaturno bolj obstojnega jekla pomeni za podjetje precejšnjo konkurenčno prednost in boljšo pozicijo na trgu, v primerjavi s konkurenčnimi podjetji. Cilj predlaganega projekta je tudi boljše razumevanje in vpogled v razvoj mikrostrukture pri procesu lezenja ter raziskava možnosti direktnega dodajanja nano-delcev v talino. Opisane raziskave bodo prispevale k izboljšani kakovosti proizvodov in večjim možnostim za razvoj novih jekel in s tem nastopanja na novih trgih. Osvojitev tehnologije direktnega legiranja z nano-delci bi poleg prednosti na trgu kazalo tudi na ustrezno visoko tehnološko razvitost Slovenije.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
