Opracowanie nowatorskich stopów wysokiej entropii o zwiększonej odporności
Projekt „Opracowanie nowatorskich stopów wysokiej entropii o zwiększonej odporności w różnych warunkach eksploatacji z wykorzystaniem sztucznej inteligencji” jako jedyny uzyskał dofinansowanie w konkursie grantowym Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na podstawie umowy nr MNiSW/2026/DAP/434, działanie nr 7 – „ISKRA – budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych”. Kierownikiem projektu jest dr hab. inż. Wojciech Nowak, prof. PRz z Katedry Nauki o Materiałach na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa.
Projekt realizowany jest przez zespół badawczy z Politechniki Białostockiej (wykonawca wiodący dr hab. inż. Dariusz Perkowski, prof. PB, wykonawca mgr Ewa Borucińska-Parfieniuk), Politechniki Lubelskiej (wykonawca wiodący dr hab. inż. Mariusz Walczak, prof. PL, wykonawcy dr hab. inż. Dariusz Chocyk i mgr inż. Wojciech Okuniewski) i Politechniki Rzeszowskiej (kierownik projektu dr hab. inż. Wojciech Nowak, prof. PRz, wykonawca dr inż. Tadeusz Kubaszek). Liderem projektu jest Politechnika Rzeszowska.
Współczesna energetyka i lotnictwo stawiają przed materiałami wyjątkowo wysokie wymagania. Elementy turbin gazowych i silników lotniczych muszą pracować w ekstremalnych warunkach – przy bardzo wysokich temperaturach i ciśnieniu, w obecności agresywnych chemicznie gazów, a jednocześnie być odporne na ścieranie i erozję powodowaną przez cząstki stałe. Szczególnie wymagające warunki dotyczą obracających się łopatek turbin, które dodatkowo muszą zachowywać wysoką wytrzymałość podczas działania zarówno stałych, jak i zmiennych obciążeń. Obecnie jednym z najważniejszych materiałów stosowanych w najbardziej obciążonych częściach turbin są nadstopy niklu. Materiały te charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi oraz wysoką odpornością na działanie wysokiej temperatury i erozję. Ich możliwości mają jednak swoje granice. W wielu nowoczesnych konstrukcjach pracują one już blisko maksymalnej temperatury, w której mogą bezpiecznie zachować wymagane właściwości.
Rozwój silników i turbin wymaga więc poszukiwania zupełnie nowych materiałów. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków są stopy wysokiej entropii (High-Entropy Alloys, HEA). Są to materiały nowej generacji, których skład może obejmować kilka lub nawet kilkanaście głównych pierwiastków. Odpowiednio dobrany skład chemiczny pozwala uzyskać wyjątkowe połączenie właściwości, które trudno osiągnąć w tradycyjnych stopach. Wyniki dotychczasowych badań wskazują, że niektóre stopy HEA mogą charakteryzować się większą wytrzymałością w wysokiej temperaturze niż nadstopy niklu, jak również bardzo dobrą odpornością na ścieranie, erozję i korozję. Szczególnie interesujące są wyniki badań wskazujące na ich wysoką odporność w atmosferze zawierającej produkty spalania wodoru. Klucz do właściwości stopów HEA tkwi w ich mikrostrukturze, czyli sposobie rozmieszczenia poszczególnych faz i składników materiału. Można to porównać do budowy miasta – znaczenie ma nie tylko liczba i rodzaj budynków, lecz także ich wielkość, kształt, rozmieszczenie i wzajemne położenie. W przypadku stopów HEA właśnie te cechy mogą decydować o ich wytrzymałości, odporności na korozję czy zużycie.
Problem polega na tym, że tradycyjne projektowanie nowych stopów jest czasochłonne i nie zawsze pozwala precyzyjnie przewidzieć końcową mikrostrukturę i właściwości materiału. W proponowanym projekcie klasyczne metody projektowania materiałów zostaną połączone ze sztuczną inteligencją (AI) oraz zaawansowanymi obliczeniami termodynamicznymi. Zastosowane zostanie m.in. oprogramowanie Thermo-Calc, które pozwala przewidywać, jakie fazy mogą powstać w stopie o określonym składzie chemicznym i w jakich warunkach będą stabilne. Algorytmy sztucznej inteligencji pomogą wskazać najbardziej obiecujące składy stopów, które powinny charakteryzować się założonym zestawem właściwości. Takie podejście może znacząco skrócić drogę od pomysłu do opracowania nowego materiału. Zamiast wytwarzać i badać setki przypadkowych kombinacji pierwiastków możliwe będzie wcześniejsze wskazanie tych składów, które mają największe szanse spełnić określone wymagania. Wybrane stopy zostaną następnie wytworzone i poddane kompleksowym badaniom. Naukowcy z Politechniki Rzeszowskiej, Politechniki Białostockiej i Politechniki Lubelskiej sprawdzą m.in. ich mikrostrukturę i skład fazowy, stabilność w wysokiej temperaturze, właściwości mechaniczne, twardość, odporność na rozciąganie, ściskanie i pełzanie, a także odporność na korozję elektrochemiczną i wysokotemperaturową. Szczególna uwaga zostanie poświęcona odporności na ścieranie i erozję powodowaną przez cząstki stałe, zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w temperaturach sięgających 800°C.
Istotnym elementem projektu będzie również zastosowanie zaawansowanych metod obrazowania pozwalających na odtworzenie trójwymiarowej struktury materiału. Dzięki temu możliwe będzie nie tylko określenie, jakie fazy występują w stopie, ale również poznanie ich rzeczywistego kształtu, wielkości, orientacji i przestrzennego rozmieszczenia. Dane te zostaną połączone z wynikami badań właściwości mechanicznych i odporności materiału, a następnie przeanalizowane z zastosowaniem sztucznej inteligencji. W rezultacie powstanie model pozwalający odpowiedzieć na jedno z najważniejszych pytań współczesnej inżynierii materiałowej: jak zaprojektować strukturę materiału, aby uzyskać konkretne, pożądane właściwości użytkowe? Projekt zakłada więc przejście od tradycyjnego podejścia „wytwórz i zbadaj” do nowoczesnego podejścia „zaprojektuj – przewidź – wytwórz – zweryfikuj”. Połączenie wiedzy z zakresu metalurgii, termodynamiki, badań mikrostruktury i sztucznej inteligencji może umożliwić opracowanie zupełnie nowej generacji stopów wysokiej entropii.
Opracowane materiały mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w najbardziej wymagających elementach turbin gazowych, silników lotniczych oraz w innych urządzeń pracujących w wysokiej temperaturze i w agresywnym środowisku. Zastosowanie tych materiałów może się przyczynić do zwiększenia trwałości i niezawodności urządzeń, podniesienia temperatury ich pracy, jak również do poprawy efektywności energetycznej nowoczesnych systemów energetycznych i napędowych. Najbardziej innowacyjnym aspektem projektu będzie połączenie sztucznej inteligencji z analizą trójwymiarowej mikrostruktury stopów HEA. Pozwoli to nie tylko przewidywać właściwości materiału na podstawie jego składu chemicznego, lecz także zrozumieć, w jaki sposób dokładny kształt i przestrzenne rozmieszczenie poszczególnych faz wpływają na jego zachowanie. Tak kompleksowe podejście do projektowania stopów wysokiej entropii stanowi pionierski kierunek badań i może prowadzić do wytworzenia nowych materiałów o właściwościach niedostępnych dla obecnie stosowanych stopów.
