Nadstopami, które wytrzymują ekstremalne obciążenia mechaniczne oraz skrajne temperatury pracy w gorącym i zimnym otoczeniu, zajmują się naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego. Opracowane przez nich materiały mogą być wykorzystywane przede wszystkim w turbinach silników lotniczych albo generatorach elektrycznych.
Przy projektowaniu materiału wykorzystywanego do produkcji elementów turbin silników samolotów – bo takimi głównie zajmują się naukowcy z Instytutu Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach – ważne jest uwzględnienie wszystkich obciążeń, na jakie wystawiony może być podczas eksploatacji element wykonany z tego nadstopu.
Samolot przelatuje nad różnymi obszarami. Jeśli znajduje się nad pustynią, to wszelkie pyły zaciągane do silnika mogą powodować w nim mikrouszkodzenia. Groźne mogą być też loty nad oceanami, wystawiające turbiny na mocno zasolone powietrze zasysane do środka. Może to wywołać korozję o różnym charakterze, czasem innym niż standardowa. Należy też wziąć pod uwagę zmiany temperaturowe. Podczas startu samolotu silnik generuje największy ciąg, co wiąże się z wydzielaniem dużej ilości ciepła, ale już wlatując wysoko w atmosferę, zderza się on z ujemnymi temperaturami – wyjaśnia dr hab. Jacek Krawczyk.
Wszystko to, o czym mówi, ma znaczenie, gdy chce się stworzyć trwały i wytrzymały produkt. W przypadku samolotów aspekt bezpieczeństwa jest szczególnie istotny, stąd poszczególne elementy konstrukcyjne podlegają wymianie, zanim dojdzie do ich uszkodzenia czy zniszczenia. Celem naukowców z UŚ jest wydłużenie okresu ich przydatności. To z kolei przełoży się na bardziej ekonomiczne użytkowanie sprzętu i ograniczenie kosztów funkcjonowania silnika. Ulepszenie turbin silnika mogłoby przyczynić się także do zmniejszenia ilości używanego paliwa i produkowanych odpadów. Obie te korzyści można osiągnąć dzięki zwiększeniu temperatury w komorze spalania. Wymaga to jednak podwyższenia wytrzymałości turbiny, by przy takich warunkach nie utraciła swoich właściwości i nie uległa destrukcji.
Materiał, z którego wytworzone są badane przez nas łopatki, powstaje na bazie nadstopów niklu. Charakteryzują się tym, że mają stosunkowo wysoką temperaturę topnienia. Wytrzymują nawet 1500 stopni Celsjusza. Ich odporność zwiększają dodatkowe powłoki, dzięki którym one same tak się nie przegrzewają i zachowują odpowiednie właściwości – opisuje dr hab. Jacek Krawczyk.
Walka z defektami
Próba modyfikacji tych właściwości polega na eksperymentowaniu z samym stopem, poprzez np. dodanie kolejnych pierwiastków chemicznych do i tak już bogatego ich składu, wynoszącego nieraz więcej niż dziesięć różnych elementów. W zależności od tego, w jakich proporcjach są one zawarte w materiale, można próbować zwiększać jego odporność na temperaturę czy na substancje chemiczne mogące zaszkodzić elementom turbiny.
Co ważne, na jakość łopatek wpływają nie tylko wykorzystane surowce, ale też proces technologiczny, w jakim powstają. Ekspert z UŚ analizuje łopatki pod kątem możliwości eliminacji różnego rodzaju defektów mogących wystąpić przy ich odlewaniu. Jego zespół opracowuje propozycje zmian w parametrach technologicznych tworzenia tych produktów, by zmniejszyć ilość występowania niedoskonałości materiału już na samym początku. Nadstop, z którego wykonane są monokrystaliczne łopatki, powinien mieć określoną orientację krystalitów, z jakich jest zbudowany. Wszelkie odstępstwa w tej orientacji, nazywane defektami orientacyjnymi, mogą powodować obniżenie wytrzymałości.
Dotychczas defekty tego rodzaju były przez środowisko inżynierskie badane w większości w skali makroskopowej. My podeszliśmy do tego problemu nieco inaczej, analizując je również w skali atomowej. Zastosowaliśmy w tym celu całkiem nowe metody i próbowaliśmy powiązać je z tymi, które były już znane i stosowane – tłumaczy specjalista.
Ponieważ łopatki wytapiane są w specjalnych piecach przemysłowych, badacze z Instytutu Inżynierii Materiałowej UŚ podjęli współpracę z Politechniką Rzeszowską i funkcjonującym w jej ramach Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego. Z uwagi na ochroną patentową samych łopatek, jak i materiałów, z jakich powstają, naukowcy mogą jedynie analizować komercyjny nadstop i sugerować zmiany mające poprawić właściwości produktów z niego otrzymanych – może to być inne rozłożenie łopatek w piecu, zmiana rozkładu kanałów chłodzących czy stosowana liczba i rodzaj powłok termicznych. Nie mogą natomiast decydować np. o kształcie, który zależy od aerodynamiki i jest obiektem osobnych badań.
Wspomniana już analiza pod kątem defektów również przebiega we współpracy z Politechniką Rzeszowską, która udostępnia w tym celu naukowcom ze śląskiej uczelni specjalistyczny dyfraktometr rentgenowski.
Inżynieria materiałowa to połączenie wielu dziedzin: fizyki, chemii, często też informatyki – podkreśla dr hab. Jacek Krawczyk i wspomina, jak dotychczasowe różne zainteresowania badawcze splatają się i kierują go w stronę nowych, inspirujących przedsięwzięć.
Rozpoczynał prace naukowe, skupiając się na elektronicznych materiałach półprzewodnikowych, które możemy stosować jako bazę do wytwarzania różnego rodzaju elementów elektronicznych, na przykład procesorów. W późniejszych latach przerzucił się na materiały zwane kwazikryształami. Składają się one z typowych pierwiastków metalicznych, właściwości wytworzonych z nich stopów nie są jednak typowe dla stopów metalicznych, a w części przypominają te dla materiałów ceramicznych. Pozyskanemu przez wiele lat doświadczeniu towarzyszy czasem szczęście.
Ta przypadkowość w pracy naukowca odgrywa niemałą rolę. Czasem coś nie do końca pójdzie po naszej myśli, ale z jakiegoś powodu zaciekawi nas wynik pozornie nieudanego eksperymentu. Możemy wtedy zboczyć z głównej ścieżki i natknąć się na coś bardzo interesującego. Przy tym wszystkim ważne jest też doświadczenie, bo bez niego niekoniecznie dostrzeglibyśmy, że w tych samych wynikach, które początkujący naukowiec by odrzucił, kryje się coś znaczącego.
Impulsem dla naukowca, by zainteresować się akurat kwazikryształami, była Nagroda Nobla w dziedzinie chemii z 2011 roku przyznana Danowi Shechtmanowi. W tamtym czasie wiele ośrodków, niejako na noblowskiej fali, podjęło tego rodzaju projekty. Okazało się, że kwazikryształy nadawały się m.in. na powłoki patelni. Ostatecznie zwyciężył teflon jako znacznie tańsze wtedy rozwiązanie. Dr hab. Jacek Krawczyk zajął się kwazikryształami od strony inżynierskiej i teraz zamierza wykorzystać doświadczenie w pracy nad nimi przy kolejnych przedsięwzięciach badawczych.
Już planuję powiązania materiałów kwazikrystalicznych z nadstopami. Ponieważ mają właściwości podobne do ceramik, mogą służyć jako bariery cieplne na łopatki. To może być przyszłość – powiązanie podstawowych materiałów, z których wykonane są łopatki turbin, i naniesienie na nie powłok z materiałów kwazikrystalicznych – przewiduje ekspert.
Weronika Cygan-Adamczyk, źródło: UŚ