Nanostrukturne prevleke visokoentropijskih zlitin za uporabo v orodjarstvu
Oznaka in naziv projekta
L2-50059 Nanostrukturne prevleke visokoentropijskih zlitin za uporabo v orodjarstvu
L2-50059 Nanostructured high entropy alloy coatings for tooling applications
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Sofinancerji: Phos BB d.o.o.
Kovinos d.o.o 
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Aljaž Drnovšek
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Vsebinski opis projekta
Raziskovalni projekt temelji na bogati tradiciji slovenskega orodjarstva, ki že desetletja predstavlja ključno podporo avtomobilski industriji ter številnim drugim industrijskim panogam, ki tvorijo jedro domače proizvodnje. Zaradi vse strožjih okoljskih zahtev se področje orodjarstva vse bolj usmerja v razvoj naprednih rešitev z višjo energetsko in materialno učinkovitostjo ter zmanjšano količino odpadkov. Ključno vlogo pri tem igrajo trde zaščitne prevleke, ki pomembno prispevajo k podaljšanju življenjske dobe in izboljšanju zmogljivosti orodij.
Od uvedbe prve trde prevleke TiN v 80. letih prejšnjega stoletja je razvoj prevlek napredoval prek kompleksnejših sistemov, kot so TiAlN in TiAlSiN, ter njihovih izpeljank. Pomemben preboj na področju materialov pa predstavljajo visokoentropijske zlitine (High Entropy Alloys – HEA), ki so bile prvič predstavljene pred približno dvema desetletjema. Te zlitine, sestavljene iz najmanj petih elementov v primerljivih deležih, se odlikujejo po visoki entropiji mešanja, ki vodi v nižjo Gibbsovo prosto energijo in s tem stabilnejšo mikrostrukturo. Njihove značilnosti vključujejo distorzijo kristalne mreže, počasno difuzijo ter tako imenovani "cocktail efekt", ki povzroča nepričakovane, pogosto sinergijske lastnosti.
Po začetnih raziskavah masivnih HEA materialov so se pojavila prizadevanja za pripravo tankih plasti HEA, pri čemer se je kot najbolj obetavna metoda izkazalo magnetronsko naprševanje. S prilagajanjem parametrov nanosa ter uporabo reaktivnih plinov (npr. dušika) je mogoče sintetizirati nitridne HEA prevleke z naprednimi mehanskimi in funkcionalnimi lastnostmi. Projekt se osredotoča na razvoj tankih plasti visokoentropijskih zlitin iz refraktarnih elementov z namenom uporabe na zahtevnih industrijskih orodjih. Kljub visokemu potencialu je področje HEA prevlek še vedno slabo raziskano. V literaturi primanjkuje sistematičnih študij o vplivu procesnih parametrov na mikrostrukturo in funkcionalne lastnosti prevlek. Projekt predvideva dvostopenjski pristop: v prvi fazi bo izvedena sinteza in karakterizacija monolitnih, večplastnih in nanoplastnih prevlek v laboratorijskih razmerah, v drugi pa prenos znanja in tehnologije v industrijsko okolje. Poleg standardne strukturne in mehanske analize bo poseben poudarek namenjen testiranju lastnosti pri povišanih temperaturah, vključno z merjenjem visokotemperaturne trdote, lomne žilavosti in triboloških značilnosti.
V projekt so vključeni štirje raziskovalni partnerji: dva odska Instituta "Jožef Stefan" (Odsek za tanke plasti in površine ter Odsek za tehnologijo površin), ter dve fakulteti za strojništvo – Laboratorij za odrezovanje Fakultete za strojništvo UL in Laboratorij za materiale Fakultete za strojništvo UM. Tako projekt pokriva celoten spekter znanja – od sinteze in karakterizacije materialov do validacije v realnih industrijskih aplikacijah. Sofinancerja projekta sta podjetji Phos BB d.o.o., specializirana orodjarna za farmacevtsko industrijo, in Kovinos d.o.o., proizvajalec rezalnih orodij. Cilj projekta je razvoj, validacija in prenos visokozmogljivih nitridnih HEA prevlek v industrijsko uporabo, s čimer se bo okrepila trajnostna konkurenčnost slovenskega orodjarstva
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
Projekt je strukturiran v pet delovnih sklopov, ki pokrivajo vse ključne vidike razvoja:
DS1: Nanašanje HEA prevlek ter optimizacija parametrov nanosa; analiza strukturnih (SEM, EDS, XRD) in osnovnih mehanskih lastnosti.
DS2: Raziskave toplotne stabilnosti in oksidacijske obstojnosti nitridnih prevlek po termični obdelavi v vakuumskem okolju.
DS3: Tribološke preiskave pri visokih temperaturah (500–1000 °C) v inertnem ozračju in na zraku, skupaj z analizo obrabljenih površin.
DS4: Določanje visokotemperaturne trdote in lomne žilavosti z uporabo naprednih tehnik (npr. FIB in in-situ nanomehanska analiza).
DS5: Prenos tehnologije v industrijo – nanos prevlek na realna orodja, testiranja na petosnem CNC-stroju in končna optimizacija.
Te sklope lahko smiselno razdelimo v tri glavne faze:
Faza 1: Razvoj in optimizacija HEA prevlek v laboratorijskem okolju. Ta faza vključuje pripravo prevlek, njihovo osnovno strukturno in mehansko karakterizacijo ter prve laboratorijske preizkuse, kot so tribološke lastnosti in korozijska obstojnost.
Faza 2: Napredna karakterizacija prevlek pri povišanih temperaturah, vključno z visoko zahtevnimi mehanskimi meritvami na prevlekah, pripravljenih tako v laboratoriju kot tudi v industrijskem okolju. Zaradi kompleksnosti priprave vzorcev bo poudarek na kakovostni izvedbi testov, kot so visokotemperaturna trdota, modul elastičnosti in lomna žilavost. V tej fazi bodo prevleke testirane tudi na realnih orodjih.
Faza 3: Prenos tehnologije v industrijsko okolje. To vključuje prilagoditev postopkov nanosa glede na geometrijo orodij, validacijo na industrijskih napravah ter pripravo osnov za patentno zaščito. Cilj je vključitev razvitih prevlek v proizvodne procese zainteresiranih industrijskih partnerjev.