Když nastupujeme do letadla, samozřejmě předpokládáme, že jeho součásti, od motoru až po poslední nýtek na trupu, spolehlivě vydrží náročné podmínky provozu. Každý defekt totiž může mít fatální následky. K hledání a navrhování vysoce kvalitních materiálů, které snesou obrovské změny teplot a tlaků i namáhání v tahu, přispívají vědci na několika pracovištích Akademie věd ČR.
Letadlo stojí na letištní ploše se studeným motorem. Pak vzlétne, motor se rychle zahřeje na vysoké teploty a zatíží. Po pár hodinách přistane, motor opět zchladne – a tak stále dokola. Lopatky turbín přitom musí vydržet nejen obrovské teplotní rozdíly, ale také působení velikých odstředivých sil v důsledku velmi vysokých otáček a vibrací. Rozkmitávají se, což může vyústit ve vznik trhlin a lomů. Povrch lopatek může navíc poškozovat nasávaný písek z pouští a sopečný prach. Trup letadla zase musí odolat nízkým teplotám a změnám tlaku vysoko nad zemí. V takových extrémech jen tak nějaký materiál neobstojí!
Silné a slabé stránky superslitin
Dobrat se podstaty poškození a navrhovat nové lepší materiály se snaží například v Ústavu fyziky materiálů AV ČR. Zabývají se mj. monokrystalickými niklovými superslitinami, které ani za vysokých teplot neztrácejí příliš ze své pevnosti. K dosažení co nejlepších vlastností se k nim přidávají další prvky, nejčastěji chrom, kobalt, hliník, titan, wolfram a tantal. Při hodně vysokých teplotách nastupují kobaltové slitiny.
Právě superslitiny rozhodují o výkonu a životnosti motorů, jejich spolehlivosti i maximální rychlosti letu, protože jsou osazovány do kritických míst turbíny s nejvyššími pracovními teplotami.
Povrchové úpravy pro vyšší odolnost
Aby superslitiny vydržely neustálé teplotní změny a mechanické namáhání, musí se chránit speciálními vrstvami, jež mají malou tepelnou vodivost, jsou odolné vůči korozi a teplotním šokům. Komplexními povrchovými úpravami se dá oddálit únava materiálu a jeho degradace, koroze, oxidace, důsledky dopadů částic nebo nečistot ve žhavých plynech a podobně.
Existuje několik typů povrchových úprav založených na různých technologiích. Patří mezi ně difuzní povlaky či vrstvy, kdy se na základní materiál neboli substrát nanese vrstvička obsahující prvek, jímž je potřeba hlavní materiál obohatit. Pak se vše vystavuje vysoké teplotě. „Atomy z povlaku difuzí částečně přejdou do substrátu – a z něj naopak přecházejí jiné atomy do povlaku,“ vysvětluje Karel Obrtlík z Ústavu fyziky materiálů AV ČR. Nakonec mezi základním materiálem a povrchovou vrstvou přestane být ostré rozhraní a vytvoří se přechodná, tzv. difuzní vrstva. Tím se dál zvyšuje oxidační a korozní odolnost základního materiálu, popřípadě se zacelují povrchové vady.
Dále se využívají keramické povlaky nanášené na povrch cíleně zdrsněný tryskáním, ostrými korundovými částicemi apod. Díky tomu do sebe částečky povlaku a substrátu jakoby „zapadnou“ – vytvoří se mechanický zámek.
Výsledkem těchto postupů jsou takzvané termální bariéry. Jde o keramické vrstvy sloužící k ochraně základního materiálu před vysokými teplotami. K nanášení na niklové superslitiny se používá plazmový nástřik. Na základní materiál se nejdříve nanese kovový vazebný povlak, který má kompenzovat odlišné mechanické vlastnosti substrátu a nejvrchnější keramické vrstvy. Na něj se pak deponují keramické vrstvy požadovaných vlastností.
„Kov a keramika mají rozdílné koeficienty teplotní roztažnosti. Kdyby se na sebe nanesly přímo a materiál se zahřál na provozní teplotu, mohlo by dojít k oddělení povlaku od substrátu nebo by mohl povlak praskat,“ vysvětluje specialista na termální bariéry, Ivo Šulák z Ústavu fyziky materiálů AV ČR.
Plazma pomáhá chránit kovové části letadel
Díky keramické vrstvě chránící motor se dá zvýšit teplota spalování, a tedy snížit spotřeba paliva a zlepšit efektivita motoru. Také badatelé v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR se snaží zdokonalovat plazmové nástřiky a dál vylepšit strukturu ochranných vrstev. Využívají k tomu metodu plazmového stříkání prášků, suspenzí nebo nejnovější postup zvaný plazmové stříkání roztoků. Ve třetím případě se do plazmatu nevpravuje předem připravená sloučenina, ale jednotlivé chemické látky, které spolu za vysokých teplot reagují. Tímto způsobem vzniká přímo během depozice na konkrétní podklad požadovaný materiál s jedinečnými vlastnostmi.
„Povrchové inženýrství vyžaduje od nástřiků hned několik funkcí. Toho se nejlépe dosáhne tím, že začnete vrstvy kombinovat,“ říká Radek Mušálek z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, kde se vydávají směrem k přípravě tzv. vícefázových vrstev. Lze je vytvořit kupříkladu smícháním dvou různých suspenzí, které společně dodají novou funkci, nebo postupným nastříkáním vrstvy A, na ni vrstvy B, dál C atd., přičemž každá nepatrně tenoučká vrstva má jinou funkci. Vrchní třeba chrání proti mechanickému obrušování, kdežto spodní propůjčuje nízkou tepelnou vodivost, zvýšenou chemickou odolnost apod.
Obrana proti pouštnímu písku a sopečnému popelu
V Ústavu fyziky materiálů AV ČR se zaměřili na výzkum speciálních, tzv. gradientních povlaků obsahujících více mezivrstev. Už navrhli povlaky na bázi barya, hořčíku, hliníku a křemíku, resp. oxidů těchto prvků, které by měly odolat agresivnímu prostředí a též degradačnímu působení prachu z okolního prostředí, částic vulkanického původu nebo písků unášených větrem z pouští. Ty totiž v leteckých motorech působí jako brusivo a poškozují povrch lopatek, včetně termálních bariér.
Kompozity, keramické materiály a 3D tisk
Pláště letadel se vyrábějí i z kompozitních materiálů, různé další komponenty pak z velmi lehkých slitin, např. titanových. Jednou z možností, jak ještě vylepšit jejich kvalitu, je upravit jejich povrch vysokoenergetickým laserovým svazkem. „To dovedou kolegové v laserovém centru HiLASE, se kterými spolupracujeme v rámci programu Strategie AV21 Nové materiály na bázi kovů, keramik a kompozitů. My umíme stanovit, jestli se tím vylepšily, nebo zhoršily únavové vlastnosti, či jak se změnila struktura materiálu,“ poukazuje na širší spolupráci mezi různými pracovišti Ludvík Kunz, ředitel Ústavu fyziky materiálů AV ČR.
Pro konstrukci celého draku letadla se již delší dobu používají kompozitní materiály na bázi hliníku a skleněných vláken, která přemosťují únavové trhliny a zadržují jejich růst. V současnosti ovšem jejich místo začínají přebírat ještě kvalitnější a pružnější polymerní materiály s uhlíkovými vlákny.
Prvořadým zájmem vědců, konstruktérů i výrobců je bezpečnost. Dříve než budou nové materiály použity v praxi, musí proto vědci do nejmenších podrobností popsat všechny mechanismy související s jejich pevností, odolností, strukturou, únavovými poruchami a dalšími vlastnostmi.
Více se k tématu materiálů pro letadla, ale též létání ptáků a hmyzu dočtete v časopise A/Věda a výzkum. (2.10.2019)
