Powder Metallurgy of Hybrid Materials for Advanced Applications

• Thesis title in Czech: Prášková metalurgie hybridních materiálů pro pokročilé aplikace
• Thesis title in English: Powder Metallurgy of Hybrid Materials for Advanced Applications
• Key words: Sintrování elektrickým proudem|High-throughput metody|Strukturované kompozity|Titanové slitiny|Vysokoteplotní komplexně koncentrované slitiny
• English key words: Field-assisted sintering technology|High-throughput methods|Architectured composites|Titanium alloys|Refractory complex concentrated alloys
• Academic year of topic announcement: 2017/2018
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physics of Materials (32-KFM)
• Supervisor: doc. PhDr. RNDr. Josef Stráský, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 01.10.2018
• Date of assignment: 01.10.2018
• Confirmed by Study dept. on: 01.10.2018
• Date and time of defence: 26.09.2023 09:00
• Date of electronic submission: 17.07.2023
• Date of submission of printed version: 17.07.2023
• Date of proceeded defence: 26.09.2023
• Opponents: prof. Hyoung Seop Kim

Guidelines

1) Doktorand vypracuje rešerši dostupné literatury se zaměřením na sintrování elektrickým proudem a přípravu hybridních materiálů (kov-kov, kov-keramika) práškovou metalurgií.
2) Doktorand se podrobně seznámí s metodou sintrování elektrickým proudem a bude zaškolen pro samostatné používání této aparatury.
3) Doktorand během doktorského studia vyrobí hybridní materiály na bázi Ti-Al, z niklových superslitin a kompozitní materiály spojující keramiku a kov.
4) Doktorand bude podrobně charakterizovat vyrobené materiály vhodnými experimentálními technikami, a to jak samostatně, tak ve spolupráci s dalšími pracovníky školícího pracoviště.
5) Doktorand bude samostatně provádět pozorování pomocí skenovací elektronové mikroskopie a testování mechanických vlastností. Podrobně se dále seznámí s metodami rentgenové difrakce a s transmisní elektronovou mikroskopií.
6) Doktorand bude průběžně prezentovat výsledky na mezinárodních konferencích a formou publikací v časopisech s impakt faktorem a v konferenčních sbornících.
7) Doktorand shrne dosažené výsledky v dizertační práci.

References

1) C. Suryanarayan, Mechanical alloying and milling, Progress in Materials Science 46 (2001) 1–184.
2) M. Avello de Lama, M. Balden, H. Greuner, T. Höschen, J. Matejicek, J.H. You, Microstructural stability of spark-plasma-sintered Wf/W composite with zirconia interface coating under high-heat-flux hydrogen beam irradiation, Nuclear Materials and Energy 13 (2017) 74-80
3) O. Guillon, J. Gonzalez‐Julian, B. Dargatz, T. Kessel, G. Schierning, J. Räthel, M. Herrmann, Field‐Assisted Sintering Technology/Spark Plasma Sintering: Mechanisms, Materials, and Technology Developments, Adv Eng Mater 16 (2014) 830-849
4) W. Liu, M. Naka, In situ joining of dissimilar nanocrystalline materials by spark plasma sintering, Scripta Mater 48 (2003) 1225-1230
5) G. Martin, D. Fabrègue, F. Mercier, J.-A. Chafino-Aixa, R. Dendievel, J.-J. Blandin, Coupling electron beam melting and spark plasma sintering: A new processing route for achieving titanium architectured microstructures, Scripta Mater 122 (2016) 5-9
6) A. Miriyev, A. Stern, E. Tuval, S. Kalabukhov, Z. Hooper, N. Frage, Titanium to steel joining by spark plasma sintering (SPS) technology J Mater Proc Technol 213 (2013) 161-166
7) Z.A. Munir, U. Anselmi-Tamburini, M. Ohyanagi, The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method, J Mater Sci 41 (2006) 763 – 777

Preliminary scope of work

Prášková metalurgie je stále častěji využívaná v komerční praxi pro výrobu produktů z kovových a keramických materiálů. Jednou z metod pro kompaktizaci práškových materiálů je sintrování elektrickým proudem, při kterém prochází pulzní stejnosměrný proud práškem a okolní, obvykle grafitovou, formou. Hlavní výhodou sintrování elektrickým proudem (spark plasma sintering – SPS) jsou nízké sintrovací teploty a krátké časy sintrování nezbytné pro kompaktizaci prášku ve srovnání s jinými metodami sintrování. Metoda SPS je již zavedenou metodou pro kompaktizaci prášků.

Cílem dizertační práce je využít metodu SPS pro výrobu hybridních materiálů. Nejde tedy o kompaktizaci prášku jednoho materiálu (nebo směsi prášků podobných), ale o výrobu dvousložkových materiálů vyrobených společným sintrováním prášku s vnitřní výztuží z objemového materiálu. Výztuží z objemového materiálu mohou být například dráty (určitou analogií je železobeton) či speciálně navržené struktury připravené 3D tiskem. Možných kombinací objemového materiálu a prášku je celá řada. Podmínkou pro úspěšné sintrování je, že teplota sintrování prášku musí být nižší než teplota tání objemového materiálu.
Uvedená problematika je dosud minimálně prozkoumána.
V průběhu řešení dizertační práce bude vyrobeno několik druhů hybridních materiálu. Jako testovací bude vyroben materiál skládající se ze struktury vytvořené z titanového drátu a prášku hliníkové slitiny 60xx. Předmětem charakterizace bude zejména specifická pevnost vyrobeného kompozitního materiálu. Další materiál bude vyroben z měděného drátu a prášku z niklové superslitiny. Následným zahřátím hybridního materiálu bude odstraněna měď, která má nižší teplotu tání, a výsledná ‚tunelová‘ struktura Ni-slitiny bude podrobně charakterizována. Podobné struktury v niklových superslitinách se využívají v lopatkách leteckých proudových motorů pro jejich chlazení vzduchem. Přímá výroba takové struktury pomocí práškové metalurgie představuje zcela odlišný koncept a vzhledem k nákladnosti výroby pomocí konvenčních metod může být tento alternativní postup komerčně konkurenceschopný. Podstatná část dizertační práce se bude zabývat studiem spojitelnosti kovových materiálů a materiálů keramických.
Dizertační práce bude řešena v úzké spolupráci s Ústavem fyziky plazmatu AV ČR (dr. T. Chráska, konzultant dizertační práce), který disponuje moderním zařízením pro sintrování elektrickým proudem. Doktorand se seznámí s metodou SPS, bude zaučen pro samostatné používání této metody a bude ji využívat pro výrobu vzorků. Pro detailní charakterizaci vyrobených materiálu budou využity pokročilé experimentální techniky dostupné na školicím pracovišti. Dizertační práce má výrazně experimentální a průkopnický charakter.