Sintering non-homogeneous structures to enhance performance
- Reference number
- RMA15-0062
- Start and end dates
- 160501-220630
- Amount granted
- 30 680 910 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The main objective is to develop new sintering technologies for the manufacturing of powder metallurgical materials, in particular hard metals, to achieve enhanced performance e.g. in metal cutting and rock drilling. The novel concept of non-homogeneous structures on all appropriate length scales, giving properties locally optimised for the operating conditions, in a given application, is explored. Functional gradients in hard metals are made by modifying powders and green bodies before sintering and the local properties are fine tuned during sintering. Active and inactive sintering, combined powder synthesis and 3D printing are key processes. An integrated computational materials engineering (ICME) approach is used to reach the goals. The experimental work involving synthesis, processing and structural characterization is carefully guided by modelling efforts ranging from atomic-scale to continuum mean-field modelling e.g. phase-field and sharp-interface methods. The prediction of non-homogeneous structures will be coupled to modelling of mechanical properties in graded structures. The possibility to generate non-homogenous structures with new properties will significantly contribute to enhanced production efficiency in manufacturing industries and efficient use of raw materials. Another important result, applicable also for other types of powder-metallurgy based materials, is new generic knowledge on how to achieve enhanced performance by locally optimized properties.
Popular science description
Inom pulvermetallurgin tillverkas komponenter genom att pulver formas till en kropp, en sk grönkropp, som sen värms upp så att pulverpartiklarna svetsas ihop tills önskad hållfasthet fås. Denna uppvärmning kallas sintring. Skärverktyg och bergborrar i hårdmetall är viktiga exempel på pulvermetallurgiskt tillverkade komponenter. I mikroskop ser man att en färdig hårdmetall består av små och mycket hårda partiklar inbäddade i en liten mängd metall. Den pulvermetallurgiska framställningsmetoden kan ge mycket jämnare egenskaper än konventionell tillverkning vilket ofta ses som en fördel. Metoden erbjuder dock stora variationsmöjligheter som hittills bara utnyttjats i begränsad utsträckning. Exempelvis är det faktiskt sällan bäst att ha jämna egenskaper i en komponent utan oftast bättre att låta dem variera på ett kontrollerat sätt efter hur påkänningarna varierar. Målet är nu att utveckla ny sintringsteknik för tillverkning av pulvermetallurgiska material för att uppnå bättre prestanda, t.ex. inom skärande bearbetning och bergborrning. Egenskaperna varieras på ett kontrollerat sätt genom att införa inhomogeniteter. Då dessa styrs kan man åstadkomma förbättrade egenskaper för givna driftsförhållanden i en viss tillämpning. Inhomogeniteterna åstadkommes genom att ändra pulver och komponenter före sintring och finjustera de lokala egenskaperna under sintringen. Vid aktiv sintring värms inte bara grönkroppen upp utan det sker även en kemisk växelverkan med den gas som finns i sintringsugnen. Vid inaktiv sintring sker uppvärmningen i vakuum eller i en inert miljö. Genom att kombinera aktiv och inaktiv sintring med tillverkning av pulvret, val av råvaror och grönkropps formning med till exempel 3D-printing eller dubbelpressning av flera pulver så kan man styra inhomogeniteterna från nano- till komponentnivå. Experimenten som omfattar framställningsprocesser och mikroskopering vägleds av matematisk modellering som sträcker sig från atom- till komponentnivå. Förutsägelsen av inhomogena strukturer kommer att kopplas till modellering av styrka och seghet i de inhomogena strukturer. Möjligheten att generera icke-homogena strukturer med nya egenskaper kommer i hög grad att bidra till ökad produktionseffektivitet inom tillverkningsindustrin och effektiv användning av råvaror. Ett annat viktigt resultat tillämpligt även för andra typer av pulvermetallurgiska material är ny allmängiltig kunskap om hur man kan uppnå bättre prestanda genom lokalt optimerade egenskaper.