Metastabilní beta slitiny na bázi titanu a zirkonia

• Název práce v češtině: Metastabilní beta slitiny na bázi titanu a zirkonia
• Název v anglickém jazyce: Metastable beta Ti-based and Zr-based alloys
• Klíčová slova: slitinu titanu, slitiny zirkonia, fázové transformace, prášková metalurgie
• Klíčová slova anglicky: titanium alloys, zirconium alloys, phase transformations, powder metallurgy
• Akademický rok vypsání: 2018/2019
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra fyziky materiálů (32-KFM)
• Vedoucí / školitel: doc. PhDr. RNDr. Josef Stráský, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 17.07.2019
• Datum zadání: 17.07.2019
• Datum potvrzení stud. oddělením: 02.10.2019
• Konzultanti: RNDr. Jana Šmilauerová, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1) Doktorandka vypracuje rešerši dostupné literatury se zaměřením vlastnosti slitin Ti a Zr, fázové transformace ve slitinách Ti a slitinách Zr a mechanismy zpevnění v těchto materiálech
2) Doktorandka vypracuje přehled slitin zirkonia využívaných v jaderné energetice.
3) Doktorandka navrhne a bude podrobně charakterizovat vyrobené slitiny. Samostatně bude realizovat pozorování pomocí skenovací elektronové mikroskopie, měření mechanických vlastností, měření termofyzikálními metodami a měření elektrického odporu. Doktorandka bude spolupracovat na charakterizaci dalšími experimentálními technikami (rentgenová difrakce, transmisní elektronová mikroskopie).
4) Doktorandka se bude podílet na návrhu termomechanického zpracování, bude charakterizovat materiál po zpracování a diskutovat vliv termomechanického zpracování na mikrostrukturu, fázové transformace a mechanické vlastnosti.
5) Doktorandka bude diskutovat vztahy mezi fázovými transformacemi ve slitinách Ti a Zr.
6) Doktorand bude diskutovat využitelnost studovaných slitin v jaderné energetice.

Seznam odborné literatury

G. Lutjering, J.C. Williams; Titanium; Springer; 2007
G. Gottstein. Physical foundations of Materials Science. Springer-Verlag. 2004.
J. Šmilauerová, Master thesis: Phase transformations and microstructure changes in TIMET LCB alloy. Charles University in Prague. 2012.
D. Kent, W. L. Xiao, G. Wang, Z. Yu, M. S. Darrgusch. Thermal stability of an ultrafine grain β-Ti alloy. Materials Science and Engineering A. 2012, vol. 556, pp. 582-587.
I. Weiss, S.L. Semiatin. Thermomechanical processing of beta titanium alloys – an overview. Materials Science and Engineering A. 1998, vol. 243, pp. 46-65.

Předběžná náplň práce

Slitiny titanu a slitiny zirkonia se mohou v závislosti na složení a zpracování materiálu vyskytovat v různých krystalických uspořádáních - fázích -. Zatímco fázové transformace ve slitinách titanu byly již podrobně studovány a na základě získaných znalostí byla navržena řada slitin pro využití v leteckém průmyslu nebo v medicíně, fázové transformace v zirkoniu jsou podstatně méně prozkoumané. Zirkonium se využívá zejména v jaderné energetice díky nízkému účinnému průřezu pro záchyt neutronů. Nové slitiny zirkonia s vyšší pevností a lepší korozní odolností mohou mít nezanedbatelný aplikační potenciál.
Oba prvky Ti a Zr jsou přechodové kovy a nacházejí se v téže skupině periodické tabulky. Jedná se o alotropické prvky, které se při pokojové teplotě vyskytují v hexagonální těsně uspořádané krystalické struktuře (alfa fázi), zatímco při vyšších teplotách transformují do kubické prostorově centrované mříže (beta fáze). Fázové složení slitin Ti i Zr závisí na příměsových prvcích, z nichž pro tuto práci jsou významné prvky beta stabilizační – např. Mo. Nb nebo V, které snižují teplotu transformace mezi alfa a beta fází (teplota beta přechodu). Slitiny, které obsahují dostatek takových prvků pro zachování beta fáze (v metastabilním stavu) po rychlém ochlazení (zakalení) materiálu, se označují jako metastabilní beta slitiny. Různé metastabilní slitiny Ti byly již poměrně podrobně studovány v dostupné literatuře – na školícím pracovišti byly podrobně studovány fázové transformace ve slitině Ti-15Mo. Tyto znalosti budou využity pro studium odvozených slitin Ti a zejména analogických slitin na bázi Zr.
Slitiny Ti i Zr jsou známé náchylné ke kontaminaci kyslíkem a dusíkem při tavení a také vykazují velkou houževnatost, která komplikuje následné zpracování materiálu – zejména obrábění. Konvenční příprava slitin na bázi Ti a Zr je tedy ekonomicky nákladná. V rámci dizertační práce budou studovány možnosti přípravy slitin metodami práškové metalurgie – konkrétně kompaktizací elementárních prášků a současně homogenizací slitiny metodou sintrování elektrickým proudem. Vlastnosti takto připravených slitin budou porovnány se slitinami připravenými konvenčním tavením.
V dizertační práci budou studovány fenomény self-difuze a inter-difuze, difuzní a bezdifuzní fázové transformace, precipitace či mechanismy zpevnění.
Studované materiály budou vyrobeny ve spolupráci s tuzemskými partnery – UJP Praha a.s. (obloukové tavení slitin) a Ústav fyziky plazmatu (sintrování elektrickým proudem). Školící pracoviště s těmito partnery spolupracuje dlouhodobě, v současnosti na projektech GAČR a TAČR. Školící pracoviště disponuje veškerým vybavením pro experimentální studium materiálů, které budou studovány v rámci doktorského studia. Předkládané téma dizertační práce je součástí výzkumu na školícím pracovišti.