SFI PhysMet - Centre for sustainable and competitive metallurgical and manufacturing industry

En viktig målsetting i SFI PhysMet er å muliggjøre mer bruk av resirkulert metall, bl.a. ved økt forståelse av hvordan legeringselementer som akkumuleres ved resirkulering påvirker mikrostruktur og egenskaper. Bor er et vanlig sporelement i resirkulert støpejern med potensielt skadelige effekter, og det er viktig å kartlegge hva disse effektene er. Selv små mengder (ppm) er skadelige. I 2023 er konsekvensen av å bruke inntil 40% aluminium (Al) fra bunnaske i industrirelevante Al-legeringer studert både eksperimentelt og numerisk. Formålet er å forstå effekten av økte verdier av forurensningselementer på mikrostruktur og egenskaper. Mikrostrukturen er evaluert ved butanol-metoden, mikroskopi og røntgendiffraksjon. Tilførsel av bunnaskealuminium fører til en tydelig endring av mikrostrukturen, og nye faser (ikke tidligere beskrevet i litteraturen) er observert. Mekaniske egenskaper som flytespenning og strekkfasthet påvirkes i liten grad, men duktiliteten reduseres betraktelig når innholdet av resirkulert aluminium økes. Bruddflateanalyse avslører en større mengde oksidfilmer i materialet, som indikerer et behov for å behandle smelten når bunnaskealuminium benyttes. Både for sveising av aluminium og stål og disse i kombinasjon, og anvendelse av dette i store konstruksjoner (f.eks. bruer og vindturbiner til havs) er det behov for forbedrede og nye sveisemetoder, spesielt for sveising av tykke materialer. Stålplater med 40-45 mm tykkelse er sammenføyd med tosidig laser-hybridteknologi, og mikrostruktur og mekaniske egenskaper er karakterisert. Metoder for å endre mikrostrukturen i sveiseroten (bunn av sveisen) er initiert ved hjelp av forvarming og tilsetning av sveisematerial som danner ikke-metalliske inklusjoner. Dette muliggjør en duktil mikrostruktur med god seighet. For sveising av stålplater i 15 mm med meget høy produktivitet utvikles ensidig laser-hybridsveising og fugegeometri for å gi stabil sveiseprosess med minimum av sveisefeil. Fullskala bruseksjoner produsert med lasersveising er testet for utmatting i lab med meget gode resultater på levetid, - minst like god som med tradisjonell sveising. Sveising av aluminium krever utvikling av høyfaste Al-sveisetråder med tilsats av legeringselementer eller nanopartikler og vi studerer muligheten for å produsere disse ved nye innovative tilvirkningsprosesser. Mikrostrukturen av disse sveisetrådene studeres med TEM for å forstå materialegenskaper og poredannelse. For utvikling av lettere batterisystemer i f.eks. biler er det mulig å erstatte kobber med aluminium, så vi studerer metoder for bruk av aluminium i disse og sammenføyning av aluminium og kobber. Sammen med industripartnere utvikler vi også fast-fase sammenføyningsteknologi (HYB & friksjonssveising) og studerer egenskaper i sammenføyningen. SFI’en utvikler numeriske verktøy for størkning og defektdannelse med bruk av termodynamisk databaser egnet for å studere effekt av forurensningselementer fra resirkulering. Dette støtter to aktiviteter som er rettet mot i) bruk av Al fra forbrenningsaske som kilde i Al10SiMg og ii) effekt av urenheter i støpejern. I 2023 er rammeverket for størkningsmodellering brukt til å støtte det eksperimentelle arbeidet med tilsats av aluminium fra forbrenningsaske til Al støpelegeringer. Foreløpige resultater viser god overenstemmelse mellom beregninger og eksperimenter. I tillegg er det videreutviklet modeller for varmsprekksensitivitet for å inkludere flere legeringsspesifikke egenskaper. Det er også påbegynt implementering av multiobjektoptimalisering; numeriske algoritmer som bl.a. kan brukes til å designe nye legeringer basert på et sett av spesifikasjoner til kjemi, prosess og egenskaper. Aktiviteter rettet mot additiv tilvirkning (AM) inkluderer prosessutvikling for produksjon av Al-6xxx legeringer og inkluderer en studie av effekten av SiC nanopartikler på mikrostruktur og sprekkdannelse. I 2023 er det også utviklet modeller for mikrostrukturen til Al-legeringer produsert ved AM. Videre arbeides det med å etablere en automatisk arbeidsflyt for å beregne de grunnleggende termodynamiske parameterne til krystaller og løsningsatomer i legeringer for endelige temperaturer. Slike data er nødvendige for å generere fasediagrammer og som inngangsparametere for mikrostrukturmodeller. Den eksisterende web-portalen til SFI PhysMet er oppdatert og utvidet med en database over tilgjengelige modeller og web-apps for mikrostrukturmodeller. En ny datakatalog basert på DataVerse har også blitt laget og populert med TEM-data og spenning-tøyningskurver. Det har også vært arbeidet med hvordan data best skal dokumenteres slik at de enkelt kan gjenbrukes og forstås av både maskiner og mennesker og en pilot på hvordan senteret kobles til og utnytter SINTEF sitt kommende datahandteringssystem kalt data.sintef.no. Anbefalingene og metodikken for sporbar datadokumentasjon og effektive arbeidsflyt har sammen med Raufoss Technology blitt utprøvd på produksjonsdata for dempegafler.

Centre for Sustainable and Competitive Metallurgical and Manufacturing Industry (SFI PhysMet), hosted by NTNU, together with key research partners (SINTEF, IFE), user partners from the metal based industry in Norway (Hydro, Elkem, Benteler, Raufoss Technology), end users (Equinor, Norwegian Public Roads Administration (NPRA)) and an international partner (ThermoCalc (S); making thermodynamical software) constitute a Centre for Research-based Innovation. The objective of SFI PhysMet is to enable and accelerate the transformation of the national metal industry towards more sustainable and cost-efficient production, future material products, solutions and improved processing methods. SFI PhysMet will contribute to long-term competence building and prepare for innovations through (i) Education and training of PhD-candidates, postdocs and master students with a good combination of fundamental physical metallurgy competence and digital skills; (ii) Development of a PhysMet Innovation Platform, providing efficient and flexible access to through process and through scale workflows combining advanced scientific models, experimental data and expertise to support the industry in accelerated innovation; (iii) Development of cutting-edge expertise, contributing to national competence building within four main areas i) metal recycling and compensational metallurgy, i.e. the ability to cancel negative effects of impurities and exploiting potential positive effects of impurities and increased amounts of alloying elements, enabling significantly more recycling in the metal-based value chains; ii) solid-state recycling (e.g. screw extrusion) and mechanical alloying, with the prospect of new alloys and composites with improved properties; iii) rapid solidification, with prospects of development new feedstock materials for additive manufacturing; and iv) welding and joining methods, with prospects of new material- and processing solutions for high-end markets.