Vse se začne in konča pri materialih

Pri razvoju sodobnih kovinskih materialov, ki je utemeljen na znanstvenih osnovah, je nujno poznavanje zgradbe materialov od makro- prek mikro- vse do nanoobmočja.

Slovenska kovinska industrija se uvršča v vrh nosilnih dejavnosti predelovalne industrije tako po prihodku kot po izvozu. Po podatkih, ki jih navajajo v zborniku Združenja kovinske industrije za leto 2022, panoge kovinske industrije predstavljajo v prihodku 29 odstotkov (10,3 milijarde evrov), v izvozu 29 odstotkov (7,3 milijarde evrov), v številu zaposlenih 34 odstotkov (ca. 64.500), ustvarijo pa 31 odstotkov (3,1 milijarde evrov) dodane vrednosti vseh predelovalnih dejavnosti v Sloveniji. Kovinska industrija je tudi nepogrešljiv sestavni del in gonilna sila tehnoloških inovacij. Sveta brez kovinskih izdelkov ali izdelkov, ki temeljijo na kovinskih delih, si ni mogoče zamisliti.

Laboratorij za materiale Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru je v vzhodni slovenski regiji, ki je poznana predvsem po močni kovinskopredelovalni industriji na področju jekla in aluminijevih zlitin. Za ohranjanje konkurenčnosti naših podjetij je nujen razvoj novih zlitin, ki presegajo lastnosti dosedanjih. Med te spadajo tudi aluminijeve zlitine, utrjene s kvazikristali, ki imajo bistveno boljšo temperaturno obstojnost in bi se lahko uporabljale za toplotno močno obremenjene dele v avtomobilski in letalski industriji ter v gradbeništvu.

Pravilna izbira in ustrezna uporaba materialov v konstrukcijah in na drugih področjih zagotavljata varnost in dolgotrajno uporabnost (pri avtomobilih je to lahko velika absorpcija energije pri trkih, pri stavbah protipotresna varnost, pri sončnih celicah velik izkoristek energije). Pri izbiri kovinskih materialov ni pomembna samo vrsta materialov (njihova kemična sestava), temveč tudi njihova notranja zgradba, ki jo dosežemo z mehansko in toplotno obdelavo, in njihova površinska zaščita. Prav tako je pomembno, kako je bil material skladiščen in uporabljen. Vse spremembe v materialu lahko spremljamo z nadzorom mikrostrukturnih in mehanskih lastnosti.

Prof. dr. Franc Zupanič in doc. dr. Tonica Bončina FOTO: arhiv UM  

Za ugotavljanje mikrostrukturnih lastnosti materialov uporabljamo metalografsko analizo, za katero je značilen poseben protokol priprave vzorcev, da dobimo ravno površino z vidno mikrostrukturo. Najpogosteje uporabljene analizne metode metalografije so svetlobna in elektronska mikroskopija z mikrokemično spektroskopijo. Za ugotavljanje mehanskih lastnosti na drugi strani najpogosteje uporabljamo natezne, tlačne in utrujenostne preizkuse. Te metode podajajo informacijo o lastnosti za celoten volumen preiskovanega materiala. Izjema je meritev trdote, kjer dobimo informacije v vtiskovani točki na površini. Mikroindentacija in nanoindentacija z uporabo mikroskopije in vtiskovanja (indentacije) povezujeta tako metalografsko analizo kot mehansko preizkušanje. Rezultat so informacije o lastnostih materiala v mikro- in nanoobmočju.

Tehnologija za materiale prihodnosti

Inovativna odkritja

Za kvazikristalne snovi je značilno, da imajo specifično atomsko zgradbo, kjer atomi niso periodično razporejeni v prostoru, kot pri večini kovinskih materialov, a so kljub temu na točno določenih mestih, ki jih lahko napovemo. Kvazikristali so sorazmerno novi materiali, saj so bili odkriti pred dobrimi štiridesetimi leti. Zaradi kvaziperiodične zgradbe imajo posebne fizikalne, kemijske in mehanske lastnosti, zato so ob njihovem odkritju sprožili val raziskav po vsem svetu. V Laboratoriju za materiale se ne ukvarjamo s čistimi enofaznimi kvazikristali, temveč je dolgoletno delo raziskovalne skupine usmerjeno v razvoj aluminijevih zlitin s kvazikristali.

Mikroposnetka, narejena z elektronsko vrstično mikroskopijo SEM in presevno elektronsko mikroskopijo TEM, prikazujeta kvazikristalne delce v zlitini, razviti v začetni fazi raziskav (levo), in v novi patentirani zlitini z izboljšanimi lastnostmi (desno). FOTO: arhiv UM  

Prvo serijo aluminijevih zlitin s kvazikristali smo v laboratoriju izdelali že pred 20 leti s tehnikami hitrega strjevanja. Oblikovanje novih zlitin je šlo v smer optimizacije kemijske sestave, velikosti in oblike intermetalnih faz, predvsem pa v tvorbo in oblikovanje kvazikristalnih faz pri manjših ohlajevalnih hitrostih. Izkazalo se je, da lahko drobni kvazikristalni delci izrazito povečajo trdnostne lastnosti in toplotno obstojnost aluminijevih zlitin. Glavni dosežek je bil razvoj aluminijevih zlitin, v katerih so nastali kvazikristali pri hitrostih ohlajanja, ki so dosegljive tudi pri običajnih postopkih industrijskega litja (npr. pri tlačnem litju). Hkrati z razvojem novih zlitin smo razvijali nove metalografske metode karakterizacije. Ključno vprašanje je bilo, kako razlikovati kristalne in kvazikristalne faze. Ena izmed metod je bil postopek globokega jedkanja in ekstrakcije faz iz aluminijevih zlitin, ki je bil razvit v okviru doktorske disertacije Tonice Bončina in patentiran leta 2013. Druga pomembna metoda, ki je bila uspešna pri reševanju tega raziskovalnega problema, je bila mikroindentacija. Pri testiranju kvazikristalnih faz se je izkazalo, da imajo specifično, ozko indentacijsko krivuljo z velikim deležem elastične energije. Glede na obliko indentacijske krivulje smo lahko razlikovali kristalne in kvazikristalne faze.

Indentacija v nanoobmočju

Indentacija pomeni vtiskovanje in je ena izmed metod za določanje lastnosti materialov. Med preizkusom potiskamo diamantno vtiskalo (indentor) v površino vzorca, pri tem natančno merimo silo in globino vtiska ter opazujemo obnašanje materiala. Zelo občutljivi senzorji zaznavajo odziv materiala na vtiskovanje v obliki indentacijske krivulje. S kvantitativno analizo ugotovimo poleg trdote še druge lastnosti snovi, kot so modul elastičnosti, elastično in plastično delo ter krajevna napetost tečenja.

Za raziskovanje mehanskih lastnosti v mikro- in nanoobmočju snovi je potrebna visokotehnološka tehnologija. V okviru projekta RIUM smo v Laboratoriju za materiale pridobili merilnik indentacije (NanoTest Vantage, Micro Materials), ki je za naše delo ključna raziskovalna oprema in omogoča številne preizkuse. Konfiguracija merilnika je edinstvena v Sloveniji, pa tudi na svetu ni veliko tovrstnih naprav. Meritve se izvajajo v nano- in mikroobmočju, saj lahko spreminjamo silo zgolj od nekaj deset milinjutonov (mN) pa vse do 30 njutonov (N). Najmanjše sile, ki jih zmore merilnik indentacije, so le nekaj deset milijonink N. Tako lahko natančno merimo mehanske lastnosti zelo tankih plasti in tudi zelo drobnih delcev v mikrostrukturi. Izvajamo tudi preizkuse razenja ter merimo koeficient trenja. S segrevanjem vzorca in vtiskala do 400 stopinj Celzija lahko opredelimo lastnosti v odvisnosti od temperature in spremljamo časovno odvisne procese, kot je na primer lezenje.

Priprava indentorja za meritve. FOTO: arhiv UM  

Povezava indentacije s sodobnimi materialografskimi tehnikami, kot sta vrstična elektronska mikroskopija (SEM) in uporaba ionskega curka (FIB), omogoča natančno raziskavo oblike in velikosti vtiskov, pojava razpok in plastične deformacije v okolici vtiskov ter različnih poškodb, ki jih z vtiskali naredimo na površini materialov. V Laboratoriju za materiale razvijamo inovativen način povezovanja indentacije s sodobnimi materialografskimi tehnikami z uporabo fokusiranega ionskega snopa (SEM/FIB). S fokusiranim ionskim snopom lahko odstranjujemo material preizkušanca na točno določenem mestu in oblikujemo mikropreizkušance, primerne za tlačni preizkus v merilniku indentacije in merjenje trdnostnih lastnosti mikrostrukturnih sestavin.

Evropski patent za novo vrsto zlitin

Z uveljavitvijo sodobnih metod karakterizacije smo v raziskovalni skupini Laboratorija za materiale v zadnjih letih razvili povsem novo vrsto aluminijevih zlitin, ki imajo v mikrostrukturi tri vrste nanodelcev, dobro obstojnih pri povišanih temperaturah, hkrati pa pri sobni temperaturi zagotavljajo visoke nivoje trdnosti, za kar smo dobili evropski patent EPO. Te vrste nanodelcev so ikozaedrični (prostorski) kvazikristali, dodekaedrični (ploskovni) kvazikristali in urejena kristalna faza, z zgradbo L1₂. Glavna prednost teh zlitin je, da za doseganje želene mikrostrukture niso potrebne velike ohlajevalne hitrosti, ustrezna velikost in razporeditev nanodelcev pa se doseže s stopenjsko toplotno obdelavo. Toplotno obstojni nanodelci ohranijo trdnostne lastnosti zlitin vsaj do 450 stopinj Celzija, medtem ko se večina aluminijevih zlitin občutno zmehča že po segrevanju na 250 stopinj Celzija. Podobne zlitine se uporabljajo za izdelavo protipožarnih konstrukcij v gradbeništvu in za izdelavo aluminijastih mostov, toplotno izpostavljenih delov motorjev z notranjim zgorevanjem, manj toplotno obremenjenih delov letalskih motorjev, kot tudi za izdelovanje delov, izpostavljenih kozmičnim žarkom v vesolju. Patent in objave s tega področja so pripomogli k večji prepoznavnosti tako laboratorija kot celotne univerze. Dobili smo več povabil, da bi bili uredniki posebnih izdaj v različnih znanstvenih revijah, okrepili pa smo tudi sodelovanje z industrijo aluminija.

Mlada raziskovalka Lara Hočušćak in skrbnik opreme prof. dr. Franc Zupanič pri delu na merilniku indentacije. FOTO: arhiv UM

Indentacija je samo ena izmed metod za ugotavljanje lastnosti materialov. Za razvoj novih patentiranih zlitin in novih komercialnih zlitin so potrebne številne raziskave na visokotehnoloških raziskovalnih napravah. Na Univerzi v Mariboru imamo le del potrebne opreme, zato uspešno sodelujemo z velikimi infrastrukturnimi centri, ki omogočajo odprti dostop do opreme, sofinancirane iz Evropske unije. Pri razvoju novih materialov sodelujemo s številnimi raziskovalci iz Slovenije in tujine, s pomočjo katerih smo raziskali zgradbo zlitin do atomskega nivoja. V ospredju sedanjih raziskav je aplikacija teh zlitin na različnih področjih, kot so aluminijasti deli, obstojni proti obrabi in koroziji, kar dosegamo z nanašanjem tankih prevlek na Odseku za tanke plasti Inštituta Jožef Stefan, ter spajanje teh zlitin z metodo varjenja s trenjem in mešanjem, ki poteka v sodelovanju z Laboratorijem za varjenje Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani in podjetjem Impol.

Cilji v prihodnosti

Naše raziskave so usmerjene v razvoj novih lahkih materialov, ki bodo omogočali tako uvedbo trajnostnih tehnologij in zeleni prehod kakor metode karakterizacije materialov. Pomembna tehnika prihodnosti je tudi indentacija, ki jo želimo uveljaviti kot eno izmed vodilnih kvantitativnih metod materialografije in mehanske karakterizacije materialov na mikro- in nanonivoju. Raziskovanje in razvoj novih materialov je zahteven in drag proces, saj zahteva vpogled od atomske strukture do končnih lastnosti, ki določajo namen uporabe. Potrebna sta draga raziskovalna oprema ter znanje o materialih in metodah na mednarodni ravni. Raziskovalci materialov na Univerzi v Mariboru smo prepričani, da bomo z znanjem, dolgoletnimi izkušnjami in nadaljnjimi vlaganji v najnovejšo raziskovalno opremo tudi v prihodnje lahko uspešno sodelovali pri svetovnem napredku aluminijevih zlitin, ki jih srečujemo v gradbeništvu ter kot dele avtomobilov in letal.

Mikroposnetek s presevnim elektronskim mikroskopom TEM: dekagonalni kvazikristalni nanodelec v najnovejši kvazikristalni zlitini, kjer atomi niso periodično razporejeni, a so kljub temu na točno določenih mestih. FOTO: Christian Gspan FELMI, TU Graz)   

Slovenska raziskovalna agencija ARIS je financirala raziskave v manjšem deležu, Laboratorij za materiale Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru je sredstva za te temeljne raziskave pridobil iz drugega raziskovalnega dela za industrijo ter na razpisih EU v okviru dostopa do raziskovalne infrastrukture (ESTEEM2, ESTEEM3, ALUMINAFab, Elettra in drugi). K odkritjem na področju kvazikristalnih zlitin so pripomogli številni raziskovalci, avtorja se za dolgoletno raziskovalno delo še posebej zahvaljujeva dr. Christianu Gspanu in dr. Mihaeli Albu s Tehniške univerze v Gradcu in tamkajšnjega Centra za elektronsko mikroskopijo (ZFE) ter Luisi Barba z Inštituta za kristalografijo (CNR) in Elettre Sincrotrone v Italiji.

–––

Doc. dr. Tonica Bončina in prof. dr. Franc Zupanič sta raziskovalca v Laboratoriju za materiale Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru.