Úterý 18. února 2020, svátek má Gizela
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Úterý 18. února 2020 Gizela

Letadla nesmí spadnout ani s vadami. O nenápadném půvabu „superslitin“

aktualizováno 
Bez vad nic vyrobit nedokážeme, ale musíme vědět, kdy to praskne. To je ve velké a nepřesné zkratce základ pokroku, který udělala v posledních desetiletích věda o materiálech. Podrobněji ho v rozhovoru vysvětlují metalurg Karel Hrbáček a materiálový fyzik Ludvík Kunz.

Kontrola stacionární plynové turbíny | foto: TC&E

Stroje, které stojí u základu civilizace, málokdy úplně zmizí a odejdou ze scény. Často se celou dobu vyvíjejí – z laického pohledu možná neznatelně, ale v důsledku zcela zásadně – a přerůstají své první vzory a prototypy. První dieselové motory sklonku devatenáctého století nemají s dnešními kromě principu mnoho společného.

Podobný a často ještě méně viditelný pokrok se odehrává i jinde – v metalurgii, která v řadě využití v posledních desetiletích vstoupila obrazně řečeno do doby „poocelové“. Z čeho a jak se dnes vyrábějí nejnamáhanější součástky strojů kolem nás, vysvětlují ředitel brněnského Ústavu fyziky materiálů Ludvík Kunz a metalurg Karel Hrbáček, bývalý hlavní metalurg První brněnské strojírny.

Když jsme spolu poprvé mluvili po telefonu, řeč se rychle stočila na turbíny. A já jsem se přistihl, jak si říkám: Bude to někoho zajímat? Nejsou turbíny obnošená vesta? Co nové zdroje?
Kunz: Energetika se ale bez turbín neobejde! Ani dnes, ani v budoucnosti. Elektřinu potřebovat budeme. Dnes se stále mluví o nástupu elektromobilů, ale o tom, kde vezmeme tak obrovský zdroj pro jejich nabíjení, se mlčí. A pokud se nic v Evropě neudělá, tak v roce 2030 začne být podle mého názoru situace vážná a v roce 2040 kritická. Určitě ani zdaleka nepostačí alternativní zdroje. Bude tedy nutno budovat nové jaderné a, doufám, v budoucnu i fúzní elektrárny. A jejich nezbytnou součástí jsou samozřejmě turbíny. Turbíny, konkrétně spalovací, jsou však také v letadlech. V lodích jsou zase motory s turbodmychadly. Takže další stavba a vývoj turbín a turbodmychadel všeho druhu se musí ubírat kupředu

Co se na nich dá ještě zlepšit?
Kunz: Zvyšuje se především provozní teplota, což znamená, že se zvyšuje účinnost. Má to i ekologický přínos, protože vyšší provozní teplota vede ke snížení množství zplodin, a tedy nižší míře znečištění životního prostředí. Vyšší teplota ovšem znamená i vyšší nároky na turbínu a hlavně na její lopatky, což s sebou přináší větší namáhání materiálu.

Proto se výrobci snaží pracovat s materiály, které umožní dosáhnout co nejvyšší pracovní teploty – a které ji samozřejmě vydrží. Lopatky turbín jsou namáhány obrovskými odstředivými silami a vibracemi. Přitom jim musí odolat velmi dlouho – jsou to tisíce hodin – a nesmějí se porušit, musí být stále bezpečné. Letadlo nesmí spadnout. Nové materiály bychom měli vyvíjet i kvůli ohledům vůči surovinám.

Jak to myslíte?
Kunz: Surovin není nekonečné množství. Budeme se muset naučit pracovat také s recyklovanými materiály a naučit se z nich vyrábět něco dobrého. To není na pořadu dne nyní, dnes, ale jednou na to dojde. A až na to dojde, bude drahé a složité takové postupy vyvinout. Takže je dobré mít představu, co materiály zvládnou. Ale znovu připomínám, že to je dlouhodobá vize, to se netýká příštích pěti let.

Jaké materiály se tedy používají dnes?
Hrbáček: Obvykle takzvané superslitiny. To jsou materiály, které se používají zhruba od konce druhé světové války. Jsou to slitiny různých kovů v podstatě bez obsahu železa. Zjednodušeně řečeno, za superslitinu považujeme materiál, ve kterém je železo pouze jako nečistota. Superslitina může být třeba na bázi niklu, kobaltu nebo jiných prvků.

Kunz: A obvykle je to materiál s velmi komplikovanou mikrostrukturou.

Detail zkušebního tělesa namáhaného na únavu

Detail zkušebního tělesa namáhaného na únavu

Co to znamená?
Kunz: Často vyžadují velmi specifické zpracování a bez potřebných znalostí a zkušeností se vám snadno může stát, že jeden výrobek bude mít jiné vlastnosti než jiný. Stačí třeba jen změnit velikost odlitku a vlastnosti mohou být najednou jiné.

Hrbáček: Dřív jsme například často používali slitinu Inconel 713 (slitina na bázi niklu a chromu – pozn. red.) To je doslova „blbuvzdorná“ slitina: dobře se odlévá, slévárenské vady se objevují minimálně, po odlití se odlitky nemusí prakticky nijak tepelně zpracovávat a dají se hned použít. Dnes pro špičkové parametry používáme superslitinu MAR M 247. Tady už je problém s odléváním – odlitky mají často mikrořediny, proto se musí ještě podrobovat takzvanému hipování (izostatickému lisování za tepla – pozn. red.), což je nákladný proces, a dalšímu tepelnému zpracování. Čili ve výsledku je sama slitina i celý proces dražší a složitější.

Dva životy s kovy

Ludvík Kunz
Vystudoval Masarykovu univerzitu v Brně a po dokončení studia v roce 1970 nastoupil do Ústavu fyziky materiálů v Brně. Tam vystřídal několik pozic, až se v roce 2012 stal jeho ředitelem. Jeho odbornou specializací jsou únava kovových materiálů a fyzikální aspekty mechanických vlastností materiálů.

Karel Hrbáček
Vystudoval VUT Brno, strojní fakultu a po dokončení studia v roce 1963 nastoupil do První brněnské strojírny Brno. Tam vystřídal několik pozic od vývojového pracovníka přes vedoucího odboru metalurgie, ředitele Závodu strojírenské metalurgie až po náměstka podnikového ředitele. Po rozpadu podniku přešel do První brněnské strojírny Velká Bíteš jako ředitel Divize metalurgie. V tomto podniku pracoval až do listopadu 2016, kdy po 56 letech práce v jednom podniku odešel do důchodu. I nadále však s tímto podnikem spolupracuje v oblasti řešení problematiky přesného lití odlitků ze superslitin na bázi niklu a kobaltu.

Můžete mi pro představu říct, co všechno s takovým materiálem děláte? Jaké kroky v tom procesu mohou být?
Hrbáček: Za prvé, materiál kupujeme pouze od specializovaných výrobců, obvykle v Anglii či v USA. Jde o slitiny vakuově tavené, které pak ve vakuu zase tavíme a odléváme. Některé nevyžadují o mnoho víc, ale některé superslitiny musíme dát hipovat. Pro představu to znamená je tepelně zpracovat zhruba při tlacích kolem jednoho tisíce barů (atmosférický tlak je zhruba jeden bar – pozn. red.) a teplotách kolem 1 200 °C po dobu čtyř hodin. To vše v ochranné atmosféře argonu. Ale to se nedělá u nás – takové výrobky vozíme do Belgie.

Ani běžné tepelné zpracování ovšem není jednoduché a velmi u něj závisí na dodržení přesného postupu, tedy přesně daných teplot, délky zahřátí a ochlazení. Probíhá třeba při teplotě 1 200 °C ve vakuu po dobu dvou hodin, pak se chladí v atmosféře netečného plynu na teplotu 815 °C, pak se celých 24 hodin znovu ohřívá na 870 °C, pak znovu chladí v atmosféře netečného plynu. A to jsem ještě nemluvil o výrobě formy pro lisování voskových modelů a o složité výrobě keramických skořepinových forem, do kterých se v tavicích pecích za přítomnosti vakua odlévají potřebné odlitky. I s tím musíte mít velké zkušenosti, abyste to zvládli dobře.

Ani se nechce věřit, že to celé proběhne bez chyb a vad.
Hrbáček: Nic bez vad neexistuje. Tohle říkám konstruktérům už léta, když chtějí materiál bez vad, bez nějakých mikroředin a tak podobně. U těch výkonných moderních slitin jsou vady i u malých odlitků, které se vám vejdou na dlaň ruky. Vady jsou vždycky, ale věda by měla umět odpovědět na otázku, jaké se mohou objevit, kde a zda je možné materiál s danými vadami použít pro ten či onen výrobek.

Kunz: Ano, ví se, že vady mají vliv na životnost namáhaných součástí, ale je otázka jak moc, kde a jak je dané místo zatížené. Musíme umět přetavit teoretické znalosti v praktické výsledky, což je trpělivá a zdlouhavá práce. Celé roky jsme se tedy například věnovali otázce, jak velké mohou být vruby na povrchu materiálu, aby nedocházelo k jeho poškozování lomem ani po dlouhém užívání, řádově po milionech cyklů. Může se to zdát jako jednoduchá otázka, ale vznikla kolem toho celá věda. Já jsem v našem ústavu padesát let a problematiku vrubů a vzniku a šíření únavových trhlin řešíme po celou tu dobu. Ne že bychom byli schopni zcela odstranit únavové trhliny, ale musíme s nimi umět žít. Když se budeme bavit třeba o letadlech a leteckých motorech, víme, že létají i s trhlinami a přesto nespadnou.

Odlitky radiálních kol turbodmychadel

Odlitky radiálních kol turbodmychadel

Když se vrátím k těm moderním superslitinám, problém je, že je musíte dokonale poznat. Nejde o pouhé chemické složení – to je pro nás už ve většině případů dáno –, ale i o zpracování. Když například odléváte lopatku turbíny, i drobné změny v průběhu její výroby mohou znamenat malé odchylky v mikrostruktuře, které pak kriticky změní její vlastnosti. Materiál není homogenní, není všude stejný. V kořeni lopatky může být struktura jiná než v jejích koncích. Záleží na celém procesu zpracování. Materiál stejného složení může mít v jednom případě horší či lepší vlastnosti v závislosti na použitých technologiích. To ovšem musí jít také ruku v ruce s ekonomikou…

Znamená to, že některé materiály jsou příliš drahé?
Kunz: Ano, přesně tak. Konkrétně u turbín je třeba možné vyrobit velice drahé monokrystalické lopatky, které vydrží několikanásobně víc, než je požadovaná životnost celé turbíny. To ovšem ve výsledku nemusí být žádná úspora.

Hrbáček: Velmi záleží na využití. Náš podnik před lety vyvinul proudový motor TJ 100 chráněný několika patenty, který původně sloužil pro pohon terčů, řízených střel a bezpilotních prostředků. Ale musel pracovat doslova jenom několik hodin. S postupem doby se začaly tyto motory používat i pro pilotovaná letadla, v nichž mají pracovat řádově až tisíce hodin, a to znamená, že požadavky na bezpečnost a životnost jsou zcela jiné.

Ono zlepšit se dá leccos... Když jsme kolem roku 1970 začínali v První brněnské strojírně v Brně s výrobou turbín GT 750-6, byla plánovaná životnost nejvíc namáhaných turbínových lopatek dvacet tisíc provozních hodin. Postupně jsme však díky tepelným přepracováním a nabytým znalostem zvýšili životnost na sto dvacet tisíc hodin.

Letecký proudový motor PBS TJ100 z První brněnské strojírny Velká Bíteš. Jeho...

Letecký proudový motor PBS TJ100 z První brněnské strojírny Velká Bíteš. Jeho jádrem je samozřejmě elegantní a účinná turbína.

A nebyl to jen problém našeho zaostávání? Byli jsme v sedmdesátých letech v oboru materiálového výzkumu pro energetiku na světové úrovni?
Kunz: V tomto ohledu jsme nebyli pozadu. Vždyť si vezměte například tlakové nádoby pro jaderné reaktory, které dodával český průmysl – na světě je jen pár zemí, které to zvládnou, a my jsme byli jedna z nich. Je zajímavé, že po vědecké stránce jsme po listopadu 1989 zcela hladce začali spolupracovat s renomovanými pracovišti ve světě a v mnoha ohledech nás brali jako zcela rovnocenné partnery.

Hrbáček: Byli jsme opravdu na světové špičce. Ale udržet se na ní je spousta práce. Když se vrátím k příkladu – ta zmíněná šestimegová turbína GT 750-6 je dnes prostě zastaralá. Ano, vydrží sice dlouho a mohla by vydržet možná ještě déle, ale k čemu. Mezitím se výrazně změnila účinnost, zvýšily se pracovní teploty. „Sedmsetpadesátka“ měla pracovní teplotou spalin 750 °C a účinnost méně než 28 procent. Dnes jsou výkony a teploty úplně jiné – jsme na 1 000 nebo 1 050 stupních.

Práce ve zkušebně vysokocyklové únavy v brněnském Ústavu fyziky materiálů

Práce ve zkušebně vysokocyklové únavy v brněnském Ústavu fyziky materiálů

Těch tři sta stupňů je ovšem výsledek práce v podstatě celé jedné generace výzkumníků a inženýrů. Posuny jsou postupné, nedokážu si představit, že by byly revoluční. Není možné posunout pracovní teplotu o tisíc stupňů, to v žádném případě. Ovšem i malý posun v teplotě a zlepšení struktury materiálu vhodným procesem výroby znamená poměrně velký ekonomický přínos. Abych to řekl ještě trochu konkrétněji, mluvíme tu o posunech v řádu desítek stupňů Celsia, a i to má znatelný ekonomický dopad. Ovšem pokrok nebývá zadarmo.

Které vlastnosti materiálů zkoumáte?
Kunz: Zabýváme se mimo jiné výzkumem vlastností materiálů za vysokých teplot při mechanickém namáhání. Tady se nemusí jednat jenom o lopatky turbín. Jsou to tlakové nádoby, potrubí a řada dalších komponent používaných v energetice. Za prvé se věnujeme výzkumu takzvaných „creepových“ vlastností (česky se také někdy používá výraz „tečení“ a označuje se jím velice pomalá deformace materiálu v důsledku dlouhodobého silového namáhání – pozn. red.) V podstatě to znamená, že se součástka namáhaná za vysokých teplot deformuje a mění tvar. Jenže je jasné, že pro bezpečný provoz musí zůstat v předepsaných tolerancích a nesmí se porušit lomem.

Druhou velmi důležitou vlastností je únavové poškození. Každý z vlastní zkušenosti ví, že přetrhnout drát není nic jednoduchého a jde to pouze velkou silou. Ale pokud ho začnete ohýbat tam a zpět, zlomíte ho snadno. Budete potřebovat podstatně menší sílu, aby došlo k poškození materiálu. Nyní si to představte v turbíně: její lopatky vibrují při pohybu vysokou frekvencí a ona je tak namáhaná obrovským počtem malých zatěžovacích cyklů. Například na ohyb v kořeni lopatky. Tam se může pomalu vytvořit únavová trhlina, která se bude nepozorovaně šířit dál. Nakonec se může rozšířit na takovou velikost, že dojde k lomu. To se samozřejmě v praxi nesmí stát, protože by to způsobilo ohromné škody.

„Creepová“ zkušebna v Ústavu fyziky materiálů v Brně.

„Creepová“ zkušebna v Ústavu fyziky materiálů v Brně.

Nemůže si to dělat samotný podnik?
Kunz: Zkoumání poškození nějakého materiálu zní jednoduše, ale k jednoduchosti má daleko. Testování v laboratoři je náročné jak finančně, tak časově. Creepové zkoušky trvají často i několik měsíců – a také máme v laboratoři zkoušky, které běží i rok. Únavové zkoušky jsou podobně časově i finančně náročné.

Hrbáček: Ne, na to nemáme jako podnik kapacity. Myslím nejen vybavení, ale i lidi. My nemáme elektronový mikroskop, abychom mohli zkoumat materiál na úroveň atomů – a už vůbec nemůžeme mít člověka, který by s ním mohl mít roky zkušeností.

Kunz: Zato máme v ústavu lidi, kteří se elektronové mikroskopii věnují desetiletí. Jsou to neuvěřitelní fachmani, kteří o problematice vědí všechno. Ale takové lidi jednoduše na inzerát nenajmete.

Hrbáček: Nejenže se takový člověk vychovává roky, ale také to musí být fanda, který na svou práci myslí neustále. V této branži často nepřijdete na ty nejlepší nápady v práci, ale – když to přeženu – v noci, když se jdete napít vody nebo si jdete odskočit.

Kunz: Mohu jedině potvrdit. A musím ještě říct, že na spolupráci mezi naším ústavem a firmou vydělávají obě strany, a tím nemyslím pouze peníze. My umíme dělat výzkum, ale zároveň musíme mít představu, k čemu je to vlastně dobré – a tu poskytuje praxe. Jedině pak lze dosáhnout skutečného, praktického pokroku. Bez spolupráce s průmyslem to nemá smysl.

Takže by se dal váš výzkum označit za přímo aplikovaný?
Kunz: Já dělení na aplikovaný a základní výzkum nemám rád. Výzkum může být, jak už jsem mnohokrát v minulosti řekl, jen dobrý, anebo špatný. Při řešení konkrétních problémů z praxe můžu přijít s řešením či nápadem, který nejen vylepší výrobek, ale posune naše základní znalosti o materiálech dál. V našem oboru k sobě má obojí blízko. Z našeho hlediska je tak jedině dobře, že strategie Akademie věd přesně takovou spolupráci s průmyslem podporuje. Je spousta problémů, od umělé inteligence po energetickou budoucnost naší země, které vyžadují spolupráci nejen různých oborů, ale také praxe a výzkumu.

Detail zkušebního tělesa namáhaného na únavu

Detail zkušebního tělesa namáhaného na únavu

A má to určitě i svou stránku finanční...
Kunz: Určitě. My jsme jako ústav Akademie věd hodnocení za kvalitu základního výzkumu, tedy řečeno zjednodušeně za publikace ve vědeckých časopisech. Ovšem prostředky, které na to dostaneme, nestačí ani na provoz budov a platy. Zhruba padesát pět procent rozpočtu si pak musíme sehnat po projektech. Což je čím dál náročnější.

Myslíte samotný proces?
Kunz: Když jsem v polovině devadesátých let psal svůj první projekt pro Grantovou agenturu, měla moje žádost tři strany. Dnes jich je v přihlášce zhruba sto padesát – a mým odhadem tak jedna desetina z toho se týká vědecké stránky. Příprava takové přihlášky je na tři týdny práce. Úspěšnost je přitom zhruba dvacet procent, máte tedy šanci jedna ku pěti, že peníze získáte. A to jsou peníze obvykle jen na pár let, dejme tomu na tři roky. A kdybyste chtěl o tři roky později napsat, že byste potřebovali peníze na pokračování projektu, že jste objevil něco zajímavého, co by stálo za další zkoumání, tak vám žádost velmi pravděpodobně zamítnou jako neinovativní. Jinak řečeno, stát deklaruje, jak vědu podporuje, ale svazuje jí ruce takovýmito předpisy. Když vědci musí popisovat stovky stran, nemají pak čas na vědu. Proti tomu spolupráce s podniky je efektivní a radostná.

Když se tím prokoušete, chystá se nyní ve vašem oboru něco zajímavého, nějaké velké vědecké novinky?
Kunz: Možná. Vezmu to pro materiálový výzkum poněkud zeširoka – když zkoumáte nové materiály, máte v principu k dispozici dvě možnosti. Buď můžete vytvořit pokusně velký počet vzorků s různým složením, různým zpracováním a tak podobně, a pak pracně zkoušet jejich vlastnosti. Anebo se můžete pokusit studovat materiál úplně od základu, v našem případě by to tedy znamenalo studovat ho od jednotlivých atomů. Tedy doslova spočítat vlastnosti jednoho atomu, dvou atomů, pak větších struktur, ideálně až do objektů o velikosti řádově desítek centimetrů, tedy podobných jako lopatky turbíny.

Ale to dnes není možné, ne?
Kunz: Ale jedna z cest by to v budoucnu být mohla. V současné době se můžeme s naší výpočetní technikou, teoretickými znalostmi a programovým vybavením dostat v modelování vlastností na úroveň řekněme systému o deseti tisících atomů. Víc nám současná výpočetní technika neumožňuje. Uvědomme si, že atomové rozměry jsou v řádech nanometrů a lopatka má délku řekněme dvě stě až pět set milimetrů. Obrazně řečeno tedy mezi našimi dnešními modely a samotnou lopatkou je pořád hodně velký prostor, který nejsme schopni pokrýt. Proto i u nás na ústavu máme skupinku, která se vývoji takových postupů věnuje. Ale zatím vlastně spíš v teoretické rovině. Musíme doslova vypracovat vědecké nástroje, kterými bychom dokázali správně popsat vlastnosti materiálů. Protože i když bude k dispozici vhodný hardware, bude fungovat, jen pokud k němu vznikne i správný software – a to je naše práce. Abychom byli připraveni na nástup další generace výpočetní techniky, možná třeba i kvantových počítačů. Samozřejmě není jisté, že to tak bude, že se naše odhady naplní. Ale úkolem vědy je vydat se tím směrem, zkusit to.

Přechod na DVB-T2

Od 27. 11. probíhá postupný přechod na vysílací standard DVB-T2. Proces by měl být dokončen do poloviny roku 2020. Diváci si tak musí pořídit televizi s podporou kódování H.265 (HEVC) nebo starší televizi doplnit vhodným set-top boxem.

  • Nejčtenější
Premium

Říkali mu Bílá smrt. Nejúspěšnějšího odstřelovače historie Sověti nedostali

Nejúspěšnějším odstřelovačem v historii válčení byl Simo Häyhä z Finska. Proslavil se během zimní války, kdy na jeho...

Balí mě? Vědci ukázali, že především muži mají problém poznat flirt

Když flirtujeme, dáváme najevo zájem o intimní kontakt. Máme pocit, že jasněji už to dát najevo nemůžeme. Ostatní však...

Ano, nebo ne? Vyzkoušeli jsme, zda je televizor s Android TV 9 dobrý nápad

Při výběru televizoru hraje stále častěji důležitou roli, jaký operační systém v ní běží. Od něj se totiž odvíjí způsob...

Nový americký neviditelný bombardér B-21 Raider vzlétne v roce 2021

Společnost Northrop Grumman zveřejnila nové vizualizace vyvíjeného stealth bombardéru B-21 Raider. Dle zveřejněných...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Může být u černé díry obyvatelná planeta? Podle českých fyziků ano

V okolí černých děr se teoreticky mohou vyskytovat planety, na kterých panují teploty podobné jako na Zemi. Vyplývá to...

Premium

Trend u rozvodů: čím dál více dětí končí ve střídavé péči

Neustálé pendlování mezi dvěma domácnostmi dětem škodí, varují odborníci. Ve střídavé péči je v Česku stále více dětí....

Premium

Jak se falšuje maso. Šunku bez „éček“ by nikdo nekoupil, říká odborník

Podvody s potravinami jsou staré jako lidstvo samo. Jen se postupně změnily metody. „Za záměnu hovězího masa za koňské...

Premium

Karlův most je jen most, stěžují si turisté. Kritika nešetří ani další památky

Do Česka loni přijel rekordní počet turistů. Památky si u nich leckdy vysloužily i bizarní recenze na internetu,...

  • Další z rubriky

Modré světlo přes den potřebujeme, v noci nám škodí, říká expert Medřický

Hynek Medřický je technik, který se věnuje světlu, respektive jeho přemíře ve večerních a nočních hodinách. Jaký má...

Američané zkoušejí Gremliny. Stroje proti protivzdušné obraně

Americká vojenská výzkumná agentura DARPA poprvé informovala o leteckém testu nového nízkonákladového bezpilotního...

Kolem ruského supertanku Armata je stále více nejasností

Čelní představitelé ruského průmyslu, politiky a spřízněných médií pokračují v mlžení kolem projektu nové ruské těžké...

Elektrická raketa a další exotické lokomotivy. Vynálezci hýřili nápady

Dějiny železniční dopravy jsou protkány výskytem lokomotiv nestandardních konstrukčních provedení. Některé vybouchly...

Advantage Consulting, s.r.o.
ELEKTRIKÁŘ VE SMĚNNÉM PROVOZU

Advantage Consulting, s.r.o.
Kraj Vysočina
nabízený plat: 27 000 - 32 000 Kč

Najdete na iDNES.cz