Dr hab. inż. Norbert Radek, prof. PŚk Kielce, 10.05.2019 r.
Politechnika Świętokrzyska
Centrum Laserowych Technologii Metali
Katedra Inżynierii Eksploatacji i Przemysłowych Systemów Laserowych
Al. 1000-lecia P. P. 7 25-314 Kielce
RECENZJA rozprawy doktorskiej
mgr inż. Tadeusza Chwalczuka pt. „Warstwa wierzchnia stopu Inconel 718 po toczeniu ze wspomaganiem laserowym”
Promotor pracy: dr hab. inż. Damian Przestacki
1. Podstawa formalna
Podstawą formalną wykonania recenzji było pismo Dziekana Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej dr hab. inż. Olafa Ciszaka, prof. nadzw. PP, z dnia 15.04.2019 r. o sygnaturze DM.63.259.2019.
2. Tematyka rozprawy
Sytuacje w przedsiębiorstwach produkcyjnych i ich zdolność do współzawodniczenia można w głównej mierze charakteryzować stopniem aktywności innowacyjnej w odniesieniu do produkowanych i stosowanych sposobów wytwarzania. Skuteczne wprowadzenie na rynek nowych wyrobów może zostać zrealizowane - z ekonomicznego punktu widzenia tylko wtedy, gdy odpowiednio wcześnie zostaną rozpoznane i przeanalizowane możliwości optymalizacji zarówno wyrobu, jak i metod produkcji. Możliwości techniczne, wywodzące się z tradycyjnych podejść do optymalizacji procesów wytwórczych są jednak w wielu przypadkach niewystarczające, głównie wówczas, gdy rozpatrywane materiały odznaczają się złą obrabialnością względnie nie mogą być wytwarzane z wykorzystaniem dotychczas znanych sposobów.
W epoce globalizacji konkurencyjność produktów, przedsiębiorstwa uzyskują doskonaląc procesy wytwarzania skupiając uwagę na nowych technologiach. Fakt, iż wprowadzaniu nowych wyrobów towarzyszy zazwyczaj stosowanie nowych wysoko wytrzymałych materiałów, prowadzi w następstwie do istotnego wzrostu zapotrzebowania na niekonwencjonalne, wysoko-wydajne procesy obróbkowe. Oprócz optymalizacji znanych już i stosowanych procesów efekty przynosi konsekwentne wdrażane nowych technologii. Do takich technologii należy laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem (ang. laser assisted machining - LAM). Obecnie wiele ośrodków akademickich i badawczych na świecie prowadzi badania nad technologią toczenia ze wspomaganiem laserowym. W Polsce badania nad w/w technologią rozwijane są od końca lat 90-tych XX wieku w Instytucie Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej. Prekursorami, którzy zapoczątkowali prace doświadczalne technologią LAM materiałów trudnoskrawalnych (np. ceramiki Si3N4) byli prof. dr hab. inż. i dr inż. Marian Jankowiak.
Tematyka pracy doktorskiej mgr inż. Tadeusza Chwalczuka dotyczy obróbki stopu Inconel 718 skrawaniem wspomaganym laserowo. W/w materiał ze względu na bardzo dobre właściowści żarowytrzymałe i żaroodporne ma zastosowanie w przemyśle lotniczym (np.
części silników odrzutowych) i energetycznym. Zastosowanie laserowego wspomagania toczenia materiałów trudnotopliwych (głównie nadstopów) może przyczynić się do poprawy wskaźników skrawalności tj. parametrów struktury geometrycznej powierzchni, trwałości ostrza, zmniejszenia wartości sił skrawania.
Dlatego też, wybór tematyki pracy uważam za celowy i szczególnie cenny zarówno w aspekcie naukowym, technologicznym, a przede wszystkim aplikacyjnym. Recenzowana praca doktorska wpisuje się w aktualne trendy rozwoju innowacyjnych niekonwencjonalnych technologii wytwarzania i wnosi wymierne korzyści poznawcze i utylitarne.
Ponadto należy podkreślić, że badania prezentowane w niniejszej dysertacji doktorskiej zostały zrealizowane dzięki wsparciu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programów badawczych tj. Programu badań stosowanych III-PBS3/B5/36/2015 oraz LIDER VI 164/I-6/2014.
3. Charakterystyka i ocena rozprawy
Recenzowana rozprawa mgr inż. Tadeusza Chwalczuka zawiera 103 strony podzielone na 8 głównych rozdziałów (łącznie ze streszczeniami w języku polskim i języku angielskim), 95 rysunków oraz 21 tabel. Bibliografia zawiera 163 pozycje, w tym 7 publikacji z udziałem
Mieczysław Kawalec
Autora, które zostały poprawnie dobrane do proponowanej tematyki rozprawy. Około 60 % cytowanych pozycji literaturowych jest opublikowana po 2010 roku, co stanowi bardzo dobry wskaźnik udziału publikacji „nowych” do ogólnej liczby pozycji przedstawionej w bibliografii. Znaczna część cytowanej literatury pochodzi z renomowanych czasopism o zasięgu międzynarodowym np. Journal of Heat Transfer, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Journal of Mechanical Science and Technology, Surface and Coating Technology, Wear. Cytowana specjalistyczna literatura z zakresu technik wytwarzania, wymiany ciepła, inżynierii powierzchni, inżynierii materiałowej, tribologii gwarantuje, że w pracy opisano aktualny stan wiedzy z kraju i zagranicy.
Przedstawiona rozprawa składa się z umieszczonego na początku wykazu oznaczeń i skrótów oraz ośmiu rozdziałów zasadniczych, nastepnie wykazu literatury oraz zawartego na końcu streszczenia w języku polskim i angielskim. Praca napisana jest w układzie klasycznym, z podziałem na część analizy literaturowej zagadnienia oraz część badań eksperymentalnych. Część związana z analizą literaturową stanowi około 44 % tekstu, pozostała część tekstu to przedstawione wynki badań własnych Doktoranta.
Tytuł rozprawy „Warstwa wierzchnia stopu Inconel 718 po toczeniu ze wspomaganiem laserowym” został sformułowany poprawnie i odpowiada zawartości pracy.
W rozdziale 1 pt. Wprowadzenie Autor uzasadnia motywy podjętej tematyki w zakresie prognoz i trendów dla przemysłu lotniczego. Nawiązuje do podstawowych problemów związanych z efektywnym kształtowaniem ubytkowym elementów konstrukcji wykonanych ze stopu Inconel 718. Wskazuje, że jedną z technologii, która może poprawić wskaźniki skrawalności nadstopów jest obróbka laserowa wspomagająca toczenie.
W rozdziale 2 pt. Analiza stanu wiedzy Doktorant dokonuje ogólnej charakterystyki i właściwości nadstopów i stopu Inconel 718, skupiając się na ich budowie fazowej oraz składzie chemicznym, z których wynikają ich potencjalne właściwości użytkowe. Autor opisuje również problemy związane ze skrawalnością stopu Inconel 718 w procesie obróbki konwencjonalnej, które wynikają głównie z niezadawalającej jakości powierzchni obrobionej wyrażonej parametrami struktury geometrycznej powierzchni oraz niezadawalającą trwałością ostrza skrawającego. W pierwszych podrozdziałach rozdziału 2 bardzo szczegółowo skupia się na podstawowych efektach uzyskiwanych po skrawaniu konwencjonalnym stopu Inconel 718. Dużo uwagi poświęca pracom dotyczących wpływu parametrów skrawania na strukturę geometryczną powierzchni w/w stopu oraz niekorzystnym zjawiskom jakie powstają w technologicznej warstwie wierzchniej (TWW) po obróbce konwencjonalnej. Dokonuje
analizy mikrostruktury warstwy wierzchniej po skrawaniu stopu Inconel 718 skupiając się na budowie struktury ziarna, zmianom twardości i głębokości umocnienia w zależności od parametrów obróbki. Opisuje również rodzaje naprężeń, które powstają w TWW podczas obróbki skrawaniem stopu Inconel 718. W osobnym podrozdziale Autor przedstawia zjawisko powstawania tzw. „białej warstwy”, która ma duży wpływ na właściwości eksploatacyjne części maszyn. Mechanizm tworzenia białej warstwy podczas toczenia konwencjonalnego związany jest z występowaniem wysokich temperatur, odkształceniem plastycznym warstwy skrawanej oraz reakcjami chemicznymi. Ponadto w rozdziale 2 Doktorant dokonuje charakterystyki materiałów, z których wykonuje się ostrza skrawające do toczenia tradycyjnego oraz toczenia wspomaganego wiązką laserową. Na uwagę zasługuje podrozdział 2.5, w którym Autor systematyzuje odmiany kinematyczne toczenia ze wspomaganiem laserowym. W mojej opinii podział taki nie był nigdzie wcześniej przedstawiony i stanowi oryginalny wkład Doktoranta w rozwój dyscypliny budowa i eksploatacja maszyn. W dalszej części podrozdziału 2.5 wykazano efekty technologiczne oraz zakres stosowania technologii laserowego wspomagania skrawania. Przeanalizowano wybrane prace związane z frezowaniem różnych materiałów konstrukcyjnych. Rozdział 2 Autor zakończył podsumowaniem stanu wiedzy z zakresu skrawania konwencjonalnego i wspomaganego laserowo stopów Inconel 718 oraz sformułował kierunki badań dotyczące laserowego wspomagania obróbki skrawaniem w/w stopu.
W rozdziale 3 pt. Badania rozpoznawcze Doktorant przedstawia swoje prace badawcze o charakterze badań rozpoznawczych. Omawia efekty zastosowania toczenia narożem ostrza oraz krawędzią prostoliniową warstwy wierzchniej utworzonej w wyniku przetopienia wiązką lasera. Autor stosuje dwie odmiany kinematyczne toczenia, związane z dwoma różnymi odwzorowaniami ostrza w materiale. W badaniach analizuje mikrostruktury technologicznej warstwy wierzchniej ukształtowane w wyniku przetopienia wiązką laserową, a następnie skrawania konwencjonalnego oraz wartości parametrów struktury geometrycznej powierzchni.
Formułuje wnioski z badań rozpoznawczych, które przyczyniają się do uzupełnienia stanu wiedzy opisanego w rozdziale 2 oraz umożliwiają sformułowanie tez pracy.
W rozdziale 4 pt. Tezy pracy Autor stawia dwie główne tezy pracy oraz cele pracy.
Pierwsza teza dotyczy mechanizmów występujących podczas laserowo wspomaganego toczenia. Druga teza skupia się na efektach technologicznych związanych ze skrawalnością stopu Inconel 718. Ponadto Doktorant formułuje cztery cele pracy, których realizacja pozwoli udowodnić postawione tezy.
W rozdziale 5 pt. Zakres, metodyka i technika badań przedstawiono informacje dotyczące zastosowanych stopów, geometrii i wymiarów poszczególnych próbek oraz stanowiska badawcze z ich poszczególnymi elementami składowymi. Doktorant w sposób syntetyczny opisuje metodykę wykonania następujących pomiarów: temperatury, struktury geometrycznej powierzchni, naprężeń własnych, mikrotwardości Martensa, sił skrawania oraz przyspieszeń drgań. Ponadto Autor przedstawia sposób wykonania zgładów metalograficznych oraz metodykę badań obserwacji mikroskopowych TWW. Dodatkowym wzmocnieniem rozdziału 5 jest opis statystycznej obróbki wyników badań.
Rozdział 6 pt. Warunki badań przedstawia w sposób uporządkowany zakres parametrów oraz podstawowy cel szczegółowych badań eksperymentalnych. Doktorant w sposób przemyślany przyporządkowuje podrozdziałom w 7 części pracy poszczególne etapy badań.
W rozdziale 7 pt. Wyniki badań i ich analiza Doktorant prezentuje wyniki badań doświadczalnych wraz z ich analizą uzyskanych rezultatów. Rozdział ten jest obszerny i stanowi ok. 25 % całości pracy. Wyniki badań eksperymentalnych Autor przedstawia w ośmiu podrozdziałach podzielonych na dwa bloki tematyczne. Pierwszy dotyczy nagrzewania warstwy skrawanej, drugi to ocena wybranych efektów laserowego wspomagania toczenia.
Doktorant opisuje efekty zastosowania różnych trybów wspomagania laserowego toczenia tj.
laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem w trybie ciągłym nagrzewania (CLAM) oraz laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem w trybie sekwencyjnym nagrzewania (SLAM).
Do oceny właściwości eksploatacyjnych technologicznej warstwy wierzchniej powstałej podczas toczenia ze wspomaganiem laserowym stopu Inconel 718 wykonano zestaw badań składających się: z obserwacji i analizy mikrostruktury, analizy składu chemicznego, pomiarów struktury geometrycznej powierzchni i naprężeń własnych, badań właściwości mechanicznych (mikrotwardości Vickersa i twardości Martensa). Należy podkreslić, że Doktorant właściwie wykorzystuje zastosowane w pracy techniki badawcze, które posłużyły do ocenych wytworzonych TWW. Ponadto na uwagę zasługuje przeprowadzona przez Autora statystyczna analiza wyników prezentowana w postaci modeli empirycznych (funkcji regresji) i współczynników korelacji. W rozdziale 7 Doktorant odnosi się róznież do zjawiska występowania tzw. białej warstwy powstałej podczas toczenia konwencjonalnego i wspomaganego laserowo toczenia w trybie sekwencyjnym nagrzewania. W powyższym rozdziale Autor dokonuje interesującej analizy możliwości zastosowania obróbki HSM w laserowo wspomaganym toczeniu.
Wyniki badań Autor bardzo starannie analizuje i interpretuje, co świadczy o Jego dużej wiedzy teoretycznej i praktycznej z zakresu technik wytwarzania, wymiany ciepła, inżynierii powierzchni oraz inżynierii materiałowej. Dodatkowo wyniki badań są dokumentowane w postaci bardzo dobrej jakości fotografii (np. obrazów SEM mikrostruktury), wykresów (np.
mikrotwardości Vickersa) oraz tabel (np. porównanie skladu chemicznego struktury).
Zrealizowane przez Doktoranta badania stanowią cenne uzupełnienie aktualnego stanu wiedzy i są ważnym osiagnięciem naukowym zawartym w niniejszej rozprawie.
W rozdziale 8 pt. Wnioski końcowe sformułowano wnioski podsumowujące uzyskane wyniki badań oraz zaproponowano kierunki dalszych badań. Wnioski zostały podzielone na 2 grupy tj. wnioski poznawcze oraz wnioski utylitarne. Autor stwierdził, że postawione tezy zostały udowodnione.
Bibliografia została bardzo starannie dobrana na podstawie aktualnego stanu wiedzy publikacji krajowych oraz w głównej mierze zagranicznych i odpowiada zagadnieniom poruszanym w poszczególnych rozdziałach rozprawy doktorskiej. Spis literatury zawiera 151 artykułów, odwołania do 4 norm, powołanie się na 5 źródeł internetowych oraz 3 firmowe materiały promocyjne dotyczące charakterystyki produktów.
Rozprawa doktorska mgr inż. Tadeusza Chwalczuka ma charakter eksperymentalno- aplikacyjny. Uzyskane wyniki badań mogą zostać wdrożone do przemysłu lotniczego.
Opracowanie redakcyjne rozprawy jest na bardzo wysokim poziomie edycyjnym.
Rozprawę doktorską mgr inż. Tadeusza Chwalczuka oceniam bardzo wysoko i stwierdzam, że przedstawione wyniki badań poszerzają wiedzę w zakresie laserowego wspomagania obróbki skrawaniem nadstopu niklu. Ponadto chciałbym podkreślić, że niniejsza rozprawa doktorska stanowi oryginalny wkład w dyscyplinie budowa i eksploatacja maszyn, a szczególnie w rozwój wiedzy w zakresie technik wytarzania, wymiany ciepła, inżynierii powierzchni oraz inżynierii materiałowej.
4. Uwagi krytyczne i błędy edytorskie
Rozpraw doktorska mgr inż. Tadeusza Chwalczuka zawiera pewne nieścisłości oraz błędy redakcyjne. Poniżej szczegółowa lista uwag.
1. str. 4 - rozdz. 7.2.1 SGP po różnych strategiach wspomagania laserowego toczenia.
Wyraz „strategiach” lepiej zastąpić wyrazem „sposobach”.
2. str. 5 - Autor użył zwrotu: ... miejsce skrawania. Powinno być: ... miejsca skrawania.
3. str. 7 - wyraz jest napisany „trudno skrawalnych”, pisze się „trudnoskrawalnych”.
Dotyczy to całej pracy.
4. str. 7 - wyraz jest napisany „trudno obrabialnych”, pisze się „trudnoobrabialnych”.
Dotyczy to całej pracy.
5. str. 8 - Autor użył zwrotu: ... w dwóch obszarów: ... Powinno być: ... w dwóch obszarach: ...
6. str. 12 - Autor użył zwrotu: ... z znaczącym stopniu ... Powinno być: ... w znaczącym stopniu ...
7. str. 12 - wzór 2.1 został podany bez opisu.
8. str. 14 - wzory 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 zostały podane bez opisu.
9. str. 16 - w opisie rys. 2.8 jest „na powierzchnia”, powinno być „na powierzchni”.
10. str. 20 - Autor użył zwrotu: ... aby ostatecznej zaniknąć ... Powinno być: ... aby ostatecznie zaniknąć ...
11. str. 24 - Autor użył zwrotu: ... w wyniki obróbki elektrerozyjnej ... Powinno być: ... w wyniku obróbki elektrerozyjnej ...
12. str. 26 - w opisie rys. 2.21 jest „Obrazy SEM pstrzą”, powinno być „Obrazy SEM ostrza”.
13. str. 35 - Autor użył zwrotu: ... kinematykę procesy laserowego ... Powinno być: ...
kinematykę procesu laserowego ...
14. str. 39 - błędna numeracja wzoru 2.5, powinno być wzór 2.6.
15. str. 40 - błędna numeracja wzoru 2.6, powinno być wzór 2.7.
16. str. 40 - Autor użył zwrotu: ... w tabeli 2.9. Powinno być: ... w tabeli 2.8.
17. rys. 2.42 - na osiach rzędnych powinien być opis „współczynnik absorpcji”.
18. str. 44 - Proszę wyjaśnić stwierdzenie: 5. Model rozpływu ciepła w strefie skrawania w warunkach laserowego wspomagania toczenia, jak i samego nagrzewania.
19. str. 44 - Autor użył zwrotu: Wiązka lasera Nd:YAG posiada krótszą falę ... Powinno być:
Wiązka lasera Nd:YAG posiada krótszą długość fali ...
20. str. 46 - Autor użył zwrotu: ... na rysunku rys. 4.1b. Powinno być: ... na rysunku 3.1b.
21. rys. 3.3 - brak odwołania do rysunku w tekście.
22. str. 51 - Autor użył zwrotu: ... mechanizmów cieplnego ... Powinno być: ... ...
mechanizmu cieplnego ...
23. str. 52 - Nieprecyzyjne określenie: Zgłady metalograficzne wycinane były z pojedynczej sekcji wału ... Powinno być: Próbki na zgłady metalograficzne wycinane były z pojedynczej sekcji wału ...
24. str. 60 - wzory 5.1 i 5.2 zostały podane bez opisu.
25. Tabela 6.1 - gęstość energii powierzchniowej GE jest podana w jednostce [J/mm2], a powinna być w [J/mm2].
26. str. 66 - Autor użył zwrotu: ... przez zwęszenie mocy wiązki lasera ... Powinno być: ...
przez zwiększenie mocy wiązki lasera ...
27. rys. 7.8a i 7.8c - Autor w mikrostrukturach stopu Inconel 718 po nagrzewaniu laserowym wskazuje na występowanie węglików Nb i węglików Ti. Dotyczy to całej pracy. Czy były wykonywane badania dyfraktometryczne ?
28. str. 71 - Autor użył zwrotu: Twardość przetopienia ... Powinno być: Twardość w strefie przetopienia ...
29. str. 71 - Autor użył zwrotu: Dla stopu o mniej twardości ... Powinno być: Dla stopu o mniejszej twardości ...
30. str. 72 - wyraz jest napisany „między zabiegowe”, pisze się „międzyzabiegowe”.
31. str. 72 - Autor użył skrótu anglojęzycznego „HAZ”. Należało użyć skrót „SWC”.
32. str. 76 - w opisie rys. 7.15 jest „w trybie sekwencyjnym”, powinno być „w trybie ciągłym”.
33. str. 87 - Proszę wyjaśnić stwierdzenie: ... nagrzewano z małymi wartościami prędkości skrawania dla warunków wspomagania sekwencyjnego.
5. Wniosek końcowy
Przedłożona do recenzji rozprawa doktorska mgr inż Tadeusza Chwalczuka, przygotowana pod kierunkiem dr hab. inż. Damiana Przestackiego, stanowi oryginalne osiągnięcie naukowe i została opracowana w sposób merytorycznie bardzo dobry. Tematyka pracy jest aktualna, trafnie wybrana i łącząca w sobie zarówno elementy poznawcze, naukowe, jak i utylitarne. Na podkreślenie zasługuje aplikacyjny charakter pracy, a uzyskane wyniki badań mogą zostać wdrożone nie tylko w przemyśle lotniczym, ale również w innych gałęziach przemysłu np. chemicznym, kosmicznym, energetycznym. Tematyka podjęta w pracy sytuuje ją w dyscyplinie budowa i eksploatacja maszy.
W świetle dokonanej analizy i sformułowanych ocen stwierdzam, że rozprawa doktorska mgr inż Tadeusza Chwalczuka pt. „Warstwa wierzchnia stopu Inconel 718 po
toczeniu ze wspomaganiem laserowym” spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim (art. 13 Ustawy z dnia 14 marca 2003 o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (t. j. Dz. U. z 2014 r. poz. 1852 z późniejszymi zmianami)) i wnioskuję do Rady Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej o dopuszczenie jej do publicznej obrony.
Ponadto dysertacja zasługuje na wyróżnienie, o co niniejszym wnioskuję.
