Hiljuti Tallinna Tehnikaülikoolis oma teadustööd kaitsnud Himanshu Singh Maurya võib olla maailmas üks esimestest, kes leidis võimaluse, kuidas valmistada üht materjali, mis võiks asendada kasutusel olevaid kriitilisi tooraineid sisaldavaid kulumiskindlaid sulameid, kasutades otsest kihtlisandustehnoloogiat.
Täpsemalt on tegemist titaankarbiidsete Fe-baasil sideainega kermiste valmistamisega uudse täiustatud laserskaneeriva kihtlisandustehnoloogia teel.
“Keraamilis-metalsed komposiidid TiC-Fe kermised on potentsiaalne materjal asendamaks hetkel kasutatavaid kulumiskindlaid WC-Co kõvasulameid, mis sisaldavad kriitilisi tooraineid,” selgitab Maurya doktoritöö üks juhendajatest, TalTechi mehaanika ja tööstustehnika instituudi vanemteadur Kristjan Juhani.
“Mauryal õnnestus arvatavasti ühena esimestest maailmas leida võimalus, kuidas valmistada kermiseid kasutades laserpaagutamist ehk tehnoloogiat, mis aitab üle saada seni kermiste valmistustehnoloogiatest tulenevatest kujupiirangutest,” kiidab Juhani.
Kui mõelda rohepöörde ja ressursside piiratuse peale, siis on see Juhani sõnul silmapaistev saavutus, et on leitud tee valmistamaks komposiite, mis ei sisalda kriitiliste ja tervistkahjustavate hulka loetavaid volframi, koobaltit ja niklit, asendades need laialt kättesaadavate titaani ja rauaga.
Odav, ohutu ja suurepäraste omadustega
Esile tasub tõsta, et Fe-baasil sideainetega kermised on odavad, mittetoksilised ja kõrgetel temperatuuridel suurepäraste mehaaniliste omadustega – seetõttu võivadki nad pakkuda head alternatiivi WC-Co kõvasulamitele.
Positiivne on ka see, et roheliseks tehnoloogiaks peetav otsene kihtlisandustehnoloogia (L-PBF/SLM) valmistab moduleeritud mikrostruktuuri ja keerulise geomeetriaga kermisdetaile vaid ühe tsükliga. Kui kermiste töötlemine korrapäraste laserimpulsslainetega põhjustas katsekehades pragude tekke, siis uudne laseriga skaneerimistehnoloogia võimaldab vähendada termilisi jääkpingeid ja seeläbi vähendada pragude teket.
Laserimpulss töötlemise (LPS) ja mitmekordse laseriga skaneerimise (MLS) tehnoloogiat võib käsitleda kui optimaalset meetodit, mis võimaldab toota hapraid materjale, kasutades laseri baasil töötlemist vähendamaks valmistatud detailides protsessist tulenevaid defekte. Küll aga selgus, et selleks, et vältida laserimpulsiga töötlemise ajal ootamatut sulamist või suurt temperatuuri gradienti pulbrivannis, on viimast vaja kindlasti eelkuumutada. Samuti vähendab laserimpulsiga töötlemine jahtumiskiirust ja tänu sellele jääkpingete teket katsekehades.
Tähelepanuväärne kõvadus ja purunemissitkus
Kokkuvõttes võib öelda, et laserimpulsiga töödeldud Fe-baasil sideainetega TiC-baasil kermiste mehaanilised omadused (kõvadus, purunemissitkus) sõltuvad valmistatud kermiste mikrostruktuurist.
Kõrgeimad kõvaduse ja purunemissitkuse näitajad saavutati laseri tippvõimsusel 60 W tulenevalt antud mikrostruktuuri suurest gradientsusest, kus peene- ja jämedateralised titaankarbiidi terad esinevad mikrostruktuuris samaaegselt. Mitmekordselt laseriga skaneeritud (MLS) kermiseid iseloomustavad aga paremad mehaanilised omadused – nt mikrokõvadus, purunemissitkus ja survetugevus. Maksimaalne kõvadus ja purunemissitkus saavutati kasutades suuremat eelkuumutava skaneerimise ja madalamat sulatava skaneerimise kiirust tulenevalt saavutatud peenemast mikrostruktuurist ja väiksemast defektide arvust.
Valmistatud kermiste kulumiskindlust uuriti kriipetesti abil. Nii näitasid kulutamiskatsed, et kermiste gradientstruktuur mõjutab nende kulumiskindlust. Nii ühe kui ka mitme läbimiga kriipetesti korral oli kulumiskindlus suurem madalamate koormuste korral, peamiseks kulumismehhanismiks oli pehme sideainefaasi plastne deformatsioon.
Doktoritööd “Titaankarbiidsete Fe-baasil sideainega kermiste valmistamine uudse laserskaneeriva kihtlisandustehnoloogia teel” saab lugeda TalTechi digikogus. Doktoritöö juhendajad olid Fjodor Sergejev ja Kristjan Juhani.
Doktoritöö valmis Eesti Teadusagentuuri grandi PRG1145 “Komposiitmaterjalid “keraamika-Fe sulam” kasutamiseks tingimuste laias diapasoonis” (1.01.2021−31.12.2025). Vastutav täitja teadustöö raames on Kristjan Juhani.
