ELEARNING.SK | PR SPRÁVY | GSGROUP | NAJDES.SK | BRIGÁDY, PRÁCA | GLOBALOFFICE.SK | REGISTRAČNÉ VIRTUÁlNE SÍDLO FIRMY | MINCE | CMS | ESHOP | TESTIVA
Prihlásenie:
>Staňte sa redaktorom eQuark.sk

eQuark.sk

Anketa

Ak by ste o tom mohli rozhodnúť práve vy, zaradili by ste Pluto opäť medzi planéty?

Quark

Titánové zliatiny

18.12.2008 10:00:00 | * q
| Počet zobrazení: 3648x

Rozprávame sa s Ing. Jurajom Lapinom, DrSc., vedúcim divízie Vlastnosti materiálov a konštrukcií ÚMMS SAV

 

IMPRESS je skratka pre Intermetallic Materials Processing in Relation to Earth and Space Solidification, čiže výroba intermetalických materiálov v spojitosti s ich kryštalizáciou na Zemi a v kozme. Ide o integrovaný projekt 6. rámcového programu EÚ, ktorý sa realizuje od novembra 2004 do októbra 2009 s rozpočtom 41 miliónov eur. Na projekte sa zúčastňuje vyše 150 vedcov zo 45 výskumných pracovísk v 14 členských krajinách Európskej únie a Ruska. Nechýbajú medzi nimi ani slovenskí vedci z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV.

Aký je cieľ projektu?

Tento projekt má za cieľ vyvinúť nový typ a technológiu veľmi ľahkého a súčasne pevného materiálu, ktorý bude pracovať pri vysokých teplotách. Preto sa zameriava na titánové intermetalické zliatiny, ktoré tieto požiadavky spĺňajú. To znamená, že hlavným prvkom zliatiny je titán. Ďalším prvkom, ktorého je v zliatine až 46 atómových percent, je hliník. V menšom rozsahu sa potom pridáva tretí a štvrtý prvok, ktorými optimalizujeme štruktúru a vlastnosti výsledného materiálu.


Ako ste sa k nemu dostali?

Do tohto projektu sme vstúpili vďaka programu COST financovaného na národnej úrovni, ktorý nám umožnil začať pracovať s titánovými zliatinami. Počas štyroch rokov sa nám podarilo natoľko zaintegrovať do aktivít v oblasti progresívnych zliatin, že nás Európska kozmická agentúra pozvala podieľať sa na príprave projektu IMPRESS a potom nám zverila aj rozhodovacie právomoci. Konkrétne koordinujem výskumnú skupinu zloženú z vedcov z Ruska, Anglicka, Francúzska a Nemecka, ktorá sa zaoberá problémom kryštalizácie. Ústav robí všetky experimenty kryštalizácie v pozemských podmienkach a na základe našich výsledkov sa potom pripravil celý experiment v podmienkach mikrogravitácie.

Nosnou zložkou novej zliatiny je titán. Prečo práve titán a nie iné kovy?

Titán je veľmi ľahký. Dosiaľ sa používa v tejto oblasti nikel a aj kobalt. Nikel je však ťažký a niektoré dôležité kovy, ktoré sa používajú na jeho legovanie, sú ešte ťažšie. Tým jeho hmotnosť stúpa. Preto sa sústreďujeme v Mendelejevovej sústave prvkov na kovy, ktoré majú hustotu oveľa nižšiu. Titán má hustotu 4,5 gramu na centimeter kubický. Ak k nemu pridáte ešte vysoký obsah hliníka, ktorý má 2,6 gramu na centimeter kubický, tak výsledná zliatina má hustotu len okolo 4 gramov na centimeter kubický.

Výskum v rámci projektu sa robí nielen v pozemských podmienkach, ale aj vo vesmíre. Čo vás k tomu viedlo?

Celý výskum sa v bežných pozemských podmienkach dostal do stavu, keď sa už nedalo postupovať ďalej, lebo existovala poznatková bariéra. Ak sa totiž robia niektoré experimenty týkajúce sa kryštalizácie alebo tuhnutia zliatin na Zemi, tak sa ich výsledky výrazne skresľujú. Za to môže kontaminácia a najmä gravitačné sily. Vďaka mikrogravitačným skúškam sme však získali jednoznačnú predstavu o fyzikálnej podstate procesov, ktoré počas prechodu zliatiny z roztaveného stavu do tuhého nastávajú a rozhodujú, aká bude výsledná štruktúra zliatiny a v konečnom dôsledku jej výsledné vlastnosti. Tieto údaje sme potom vkladali do numerických simulačných modelov v počítačoch a bez drahých experimentov sme mohli predpovedať, čo všetko nás čaká, keď sa proces výroby usporiada tým či oným spôsobom. To ušetrilo veľa finančných prostriedkov na drahé experimenty.

Prečo na experimenty využívate práve rakety?

Pôvodným zámerom bolo robiť skúšky na Medzinárodnej kozmickej stanici ISS. Pre problémy s raketoplánmi sa však oneskorila jej konštrukcia. Presnejšie, európsky modul Columbus, ktorý je vlastne vedeckým laboratóriom, k nej pripojili až tento rok. Tým sa možnosť robenia experimentov oneskoruje, hoci treba povedať, že tam sa môžu robiť oveľa dôkladnejšie a vo väčšom počte. Nezostalo však inej možnosti, než sa sústrediť na skúšky v mikrogravitačných podmienkach, ktoré sa dosahujú počas balistického letu rakiet Texus vysielaných Európskou kozmickou agentúrou z kozmickej základne za polárnym kruhom v severnom Švédsku. V rakete mikrogravitačné podmienky, pri ktorých sa gravitácia zníži na milióntinu pozemskej, trvajú len 12 minút. Dosahujú sa totiž až pri voľnom páde modulu s vedeckými prístrojmi. To bolo pre nás limitujúce. Chcem znovu podčiarknuť, že pri stavbe zariadenia, ktoré sa nainštalovalo do rakety Texus, sa využilo to, čo robíme v našom ústave v laboratórnych podmienkach.

Aká je vlastne nová zliatina?

Je to ľahký, vysoko pevný materiál, ktorý znesie agresívne spaliny leteckého benzínu. Počas tuhnutia sa pritom sám usporiada tak, že každý atóm si nájde presne svoju polohu, čím vytvorí špeciálnu štruktúru. To je pre titánové intermetalické zliatiny veľmi dôležité, pretože s tým súvisí ich vysoká pevnosť. Tým sa aj líšia od klasických titánových zliatin, ktoré sa inak bežne používali a používajú v leteckom priemysle. Spomeňme si na známe americké špionážne lietadlo Blackbird, ktorého celý trup vyrobili z titánových zliatin. Problém je však v tom, že dosiaľ používané zliatiny vydržali len do teploty 580 stupňov Celzia. Ak sa zohrejú na viac stupňov, tak oxidujú a nie sú odolné voči agresívnemu prostrediu. Sú mäkké a tým nemajú potrebné pevnostné vlastnosti a pri vyšších teplotách začnú horieť. My však máme zliatiny, ktoré sa môžu používať až do 800 stupňov Celzia. To znamená, že výrazne posúvame pracovné teploty titánových zliatin a vytláčame ťažké niklové zliatiny, ktoré spĺňajú len pevnostné a teplotné charakteristiky.

Kde sa budú dať v prvom rade využiť?

S novou zliatinou sa počíta najmä v troch oblastiach – v leteckom priemysle, pri výrobe plynových spaľovacích turbín a v automobilovom priemysle.

Čo spôsobuje taký veľký záujem leteckého priemyslu?

Možnosť znížiť hmotnosť motorov a tým aj celých lietadiel. Prúdový motor lietadla je jedna veľká turbína, ktorá pozostáva z kompresora, vysokotlakovej komory, kde sa spaľuje letecký benzín, a nízkotlakovej turbíny. V ňom sa používajú lopatky, ktoré sú zo zliatin na báze niklu. Tieto zliatiny však majú vysokú hustotu okolo 9 gramov na centimeter kubický. Titánové intermetalické zliatiny, ktoré vyvíjame, majú hmotnosť len okolo 4 gramov na centimeter kubický, teda menej než polovicu. To je významná redukcia. Navyše ďalšie charakteristiky, ako je pevnosť a životnosť odpovedajú niklovým zliatinám. To znamená, že hmotnosť jednej lopatky sa výrazne zredukuje na menej než polovicu, ale výkonové parametre zostávajú rovnaké. Navyše čím sú lopatky ťažšie, tým je namáhanie rotora, na ktorý sú upnuté, väčšie. Pri niekoľkých desiatkach tisícov otáčok sú odstredivé sily veľké, najmä, keď sú lopatky ťažké. Výsledkom je, že aj rotor musí byť dimenzovaný na väčšie sily. To znamená, že ak sa zníži hmotnosť lopatky, tak sa môže znížiť aj hmotnosť rotora, lebo už sa tak nenamáha. Navyše sa ešte zníži potrebné množstvo paliva na rovnaký výkon lietadla, lebo bude ľahšie. Dosahujú sa aj vyššie pracovné teploty, čo vedie k redukcii skleníkových plynov.

Nová zliatina by sa mala použiť aj vo veľkých plynových spaľovacích turbínach...

Áno, niektoré štáty s dostatkom zemného plynu namiesto klasických elektrární používajú plynové stacionárne turbíny, ktoré slúžia na pohon generátorov na výrobu elektrickej energie. Takáto turbína môže mať dĺžku niekoľko desiatok metrov a výkon až 270 MW. Tam dĺžka lopatky dosahuje až jeden meter. Preto redukcia rotačných častí je veľmi dôležitá. Nejde len o zníženie hmotnosti. Súčasne sa dosahuje veľká úspora taviaceho elementu a zvyšuje sa jej účinnosť.

Tretie veľké využitie titánových zliatin má byť v automobilovom priemysle. Kde sú potrebné?

Ich využitie je vo výrobe obežných koliesok turbodúchadiel, ktoré dávajú dynamiku motoru, najmä dieslovému. Aj tam sa používajú dosiaľ niklové obežné kolieska. Titánové sú však výrazne ľahšie a oveľa rýchlejšie dosiahnu potrebné otáčky. Dynamika dieselového motora s nimi sa počas akcelerácie veľmi približuje dynamike benzínového motora. V automobilovom priemysle sa titánové zliatiny dajú použiť aj na ventily spaľovacích motorov, ktoré sa veľmi namáhajú, pričom musia byť veľmi odolné voči vyšším teplotám a veľmi agresívnemu prostrediu.

Projekt IMPRESS sa odlišuje od bežných výskumov tým, že priamo prechádza do výrobkov pre konečných zákazníkov. Čo to znamená a prináša?

Na to, aby ste mohli vyrábať, musíte mať uzavretý určitý kruh. To znamená, že musíte mať výrobcu zliatin a vyvinutú technológiu výroby súčiastok, ktorou je v našom prípade technológia tavenia a odlievania. Ak ju v pilotných prevádzkach zvládnete, potrebujete nájsť na trhu prijateľného výrobcu, ktorý túto technológiu implementuje, zväčší ju na priemyselný rozmer a bude lopatky hromadne vyrábať. Potom potrebujete už len koncového používateľa. Celý tento cyklus máme zabezpečený. Máme výrobcu primárnych zliatin, našich materiálov, ktorému dodávame know-how, čo chceme, aké zloženie, ktoré prvky má obsahovať. On vyrobí našu zliatinu. Máme informácie z projektu, aká je optimálna technológia výroby materiálu, teda ktorá vedie k čo najnižšej výrobnej cene ingotu, ktorý sa má taviť a odlievať. Máme zabezpečených veľkých priemyselných partnerov, ktorí sa zaoberajú tavenín takéhoto materiálu a jeho odlievaním a vedia naplniť trhové požiadavky na množstvo a požadovanú kvalitu. Napokon máme dvoch významných koncových používateľov. Prvým je Rolls-Royce, ktorý je veľmi integrovaný do projektu, vzhľadom na svoju kompetenciu v oblasti výroby leteckých motorov a ich strategického vývoja. Rolls-Royce musí byť konkurencieschopný voči svojim hlavným konkurentom na trhu leteckých motorov, ktorými sú General Electric a Pratt&Whitney. Druhým veľkým používateľom je Alstom, ktorého divízia vo Švajčiarsku vyrába veľké stacionárne plynové turbíny pre energetický priemysel.

Projekt IMPRESS by sa mal skončiť prakticky o rok. V akom štádiu sa nachádza?

Projekt sa v konečnom dôsledku zameriava na vývoj technológie a výrobu prototypov. V súčasnosti sa končí vývoj novej technológie výroby prvých prototypových lopatiek do 400 milimetrov. Pritom máme už veľmi dobre zvládnutú technológiu výroby lopatiek do dĺžky 280 mm.

Ako sa k titánovým zliatinám stavia konkurencia?

Američania a Japonci venujú veľké prostriedky do vývoja tohto typu materiálov a príslušnej technológie. Napríklad Američania sa chystajú urobiť prvé motorové skúšky titánových intermetalických lopatiek, čiže to, čo Európa. Myslím si, že vlastná európska zliatina z hľadiska pevnosti, vlastností a možnosti uplatnenia v niektorých ukazovateľoch výrazne prevyšuje vlastnosti zliatiny, ktorú vyvinuli Američania. Naše materiály vydržia teploty o 50 stupňov Celzia vyššie než americké. Vývoj však nemôže zastať a tento súboj bude iste ďalej pokračovať.

Čo bude nasledovať vo vašej práci ďalej?

Chystáme sa na obdobie po skončení projektu IMPRESS. Už teraz sa intenzívne podieľame na vývoji ďalšej série nových zliatin, ktoré budú šité presne na určitého zákazníka a jeho požiadavky. Zapojili sme do toho aj ďalšie slovenské výskumné inštitúcie vrátane dvoch fakúlt Slovenskej technickej univerzity. Náš priestor vidíme najmä v spojitosti s výrobou automobilov, v ktorej je Slovensko veľmocou. Ako som spomenul, súčiastky z našich zliatin sa dajú využiť aj inde. V Japonsku s nimi počítajú do drahých, najmä športových áut. V Európe, najmä v Nemecku, do bežných osobných áut. Tu je možnosť aj pre slovenské automobilky, aby skvalitnili svoje autá.

Na záver si celkovo zhodnoťme projekt IMPRESS. Aký podľa vás je?

Vďaka spojeniu základného výskumu, modelovania, technologického rozvoja a úzkej spolupráce s priemyslom je to projekt veľmi úspešný a vysoko cenený. Dôkazom toho je aj vysoké hodnotenie zo strany Európskej kozmickej agentúry i Európskej komisie. Význam projektu podčiarkuje aj skutočnosť, že má stálu expozíciu v Science Museum v Londýne, ktorá sa teší pozornosti návštevníkov. Dokonca sa plánuje, že sa stane putovnou a bude sa dať vidieť v mnohých významných múzeách Európy. Preto považujem projekt IMPRESS za vlajkovú loď európskeho výskumu v oblasti aplikovaných materiálových vied a som hrdý, že sa na jeho úspechu podieľajú aj slovenskí vedci.

Zdieľaj článok
 
Hodnotenie: 1,61
Príspevok na titulke

Vyberte článok na titulku kliknutím na linku

 

www.brigada.sk - brigády, brigáda, práca, zamestnanie www.najdes.sk - katalóg, portál, vyhľadávač www.equark.sk - veda, výskum, technika www.uvery.sk - úvery, pôžičky, hypotéky www.elearning.sk - elearning, LMS, vzdelávanie, kurzy, elektronické vzdelávanie www.globaloffice.sk - registračné sídlo, virtuálna adresa a kancelária www.globalhosting.sk - domény, doména, webhosting, hosting www.globalweb.sk - CMS, WCMS, redakčný systém, publikačný systém www.globalshop.sk - internetový obchod, eshop, e-commerce Global Services Slovakia s.r.o. - www.gsgroup.sk, informačné systémy, portálové riešenia, intranety, web dizajn

Generuje redakčný CMS systém GlobalWeb spoločnosti Global Services Slovakia s.r.o.