Stopy tytanu z glinem pozwalają na znaczną redukcję ciężaru elementów samolotów
W 2016 r. lotnictwo przyczyniło się do powstania 3,6 % emisji gazów cieplarnianych w UE-28, a liczba lotów ma wzrosnąć o 42 % w latach 2017–2040. Zmniejszenie masy samolotów jest ważnym sposobem na poprawę wydajności transportu lotniczego i ograniczenie jego wpływu na środowisko naturalne. Finansowany przez UE projekt MMTech powstał z zamiarem obniżenia kosztów i poprawy wydajności komponentów lotniczych z lekkich stopów na osnowie fazy gamma tytanu z glinem (γ-TiAl) w celu zwiększenia ich obecności na rynku.
Ambitne cele
Zastępca koordynatora projektu, dr Rosemary Gault, tłumaczy: „Naszym głównym celem było zmniejszenie kosztów i skrócenie czasu potrzebnego do wyprodukowania komponentów γ-TiAl o 45 %, obniżenie kosztów konserwacji podzespołów lotniczych o 8 %, wydłużenie ich żywotności o 15 %, zmniejszenie ich wagi o połowę oraz ograniczenie zużycia surowców o 20 %”. Stopy γ-TiAl są lżejsze i bardziej odporne na korozję niż ich konwencjonalne odpowiedniki na bazie niklu, a ponadto dobrze sprawdzają się w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Jednak ich ekstremalna kruchość w temperaturze pokojowej sprawiała dotąd, że produkcja była prawdziwym wyzwaniem. Uczestnicy projektu MMTech postanowili znaleźć rozwiązanie tego problemu.
Przełamywanie barier pozwala na osiągnięcie wielu korzyści
W projekcie MMTech opracowano innowacyjne i niedrogie proszki przeznaczone do wykorzystania w procesach obróbki przyrostowej. Jednakże, chociaż wykazano, że tanie, wytwarzane metodą wysokoenergetycznego mielenia kulkowego (ang. high-energy ball-milled, HEBM) proszki mogą być stosowane w maszynach wykorzystujących technologię Powder Bed Fusion, to na używanej w projekcie maszynie opartej na technologii nadmuchiwania proszku otrzymywano przy ich pomocy części o zwiększonej porowatości i większej liczbie pęknięć. „Już na początku projektu zidentyfikowaliśmy te zagrożenia i przygotowaliśmy skuteczne plany dotyczące ich wyeliminowania. Kiedy jedna z technologii nie przyniosła oczekiwanych rezultatów, pozostali partnerzy zwarli szeregi i włożyli wiele dodatkowego wysiłku oraz przeprowadzili nowe badania, abyśmy mogli osiągnąć nasze cele”, mówi Gault. Projekt MMTech przyczynił się do rozwoju badań nad obróbką dzięki przeprowadzeniu prac na różnych maszynach do obróbki przyrostowej oraz wsparciu ich wieloskalowymi modelami łańcucha technologicznego. Pozwoliło to na określenie nowej architektury maszyn, która ma na celu efektywne osadzanie nowego materiału. Ponadto, naukowcy usprawnili procesy obróbki dzięki wykorzystaniu aktywnego i pasywnego tłumienia podczas obróbki oraz opracowaniu indywidualnie dostosowywanych geometrii narzędzi obróbczych i optymalnych parametrów (prędkości skrawania i posuwów, powłok narzędzi, strategii smarowania) obróbki.
Praktyczne rezultaty
Technologie zostały przetestowane na łopacie przeznaczonej do maszyn lotniczych, kołnierzu rury wydechowej dla przemysłu motoryzacyjnego oraz wirniku turbiny (używanym do zmniejszania ciśnienia i przepływu płynu) stosowanym w układzie zwiększania zasięgu samolotów elektrycznych. We wszystkich trzech studiach przypadków γ-TiAl pozwolił na zmniejszenie ciężaru komponentów o około 45 %, co z pewnością będzie miało istotny wpływ na zużycie paliwa. Według Boeinga, zaoszczędzenie 1 % paliwa w samolocie Boeing 737-800 przekłada się na zmniejszenie rocznego zużycia paliwa o 100 ton, czego wynikiem jest spadek emisji samego tylko CO2 o 318,7 tony, jak również znaczące obniżenie emisji innych zanieczyszczeń. Jak wyjaśnia Gault, „Równie ważne jest to, że zastosowanie tytanu z fazy gamma obniżyło koszty części i skróciło czas produkcji odpowiednio o 45 % i 10 % w przypadku łopat oraz około 80 % i 64 % w przypadku kołnierzy samochodowych rur wydechowych ciętych laserowo. Projekt MMTECH pozwolił partnerom na zademonstrowanie ekonomicznych metod wytwarzania komponentów lotniczych z zaawansowanych materiałów, umożliwiając zmniejszenie ich ciężaru o połowę oraz ograniczenie emisji CO2”. To dobra wiadomość zarówno dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, jak i dla środowiska.
Słowa kluczowe
MMTech, koszt, waga, emisja, stopy na osnowie fazy gamma tytanu z glinem (γ-TiAl), lotnictwo, zużycie paliwa, obróbka przyrostowa, obróbka, łopata, ekonomiczne, kołnierze samochodowych rur wydechowych
