Dr Jacek Krawczyk z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ | fot. Julia Agnieszka Szymala
|Małgorzata Kłoskowicz|
Czasem wystarczy zwiększyć temperaturę w piecu o kilka Kelwinów lub pochylić formę odlewniczą, aby poprawić trwałość, niezawodność czy bezpieczeństwo stosowania danego materiału. Droga do takich zmian wiedzie nie tylko przez znajomość składu chemicznego i metod otrzymywania produktu, lecz również sposobów badania parametrów technicznych i właściwości. Mrówcza, jakby się wydawało, praca wymaga pomysłowości, o czym przekonuje dr Jacek Krawczyk z Instytutu Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Tarcze hamulcowe nagrzewają się, gdy samochód zmniejsza prędkość. Aby zapobiegać ich szybkiemu zużywaniu się, można zaprojektować materiał, z którego wykonane zostaną powłoki ochronne. Takie wyzwania podejmuje dr Jacek Krawczyk.
– Na początku swojej naukowej drogi interesowałem się metodami otrzymywania różnych materiałów. Ciekawiło mnie, jak powstają i co możemy zrobić, aby miały lepsze właściwości – mówi naukowiec.
Dobrym przykładem może być zaprojektowany przez niego kompozyt, będący stopem metalicznym o właściwościach bliskich materiałom ceramicznym z tą różnicą, że przewodzi prąd elektryczny oraz – w określonych kierunkach – ciepło. To z kolei ma kluczowe znaczenie dla jego zastosowań.
– Aby lepiej zrozumieć, na czym polega moja praca, wyobraźmy sobie samochód. Pojazd wyposażony jest między innymi w tarcze hamulcowe, o których wiemy, że nagrzewają się, gdy hamujemy. W wyniku tarcia i powstającego ciepła, a także kiedy nagle zostaną schłodzone wodą podczas deszczu, elementy te oczywiście się zużywają i niszczą. Moim zadaniem jest znaleźć rozwiązanie, które sprawi, że w przyszłości tarcze będą trwalsze – wyjaśnia dr Jacek Krawczyk.
Możliwości jest wiele. Można albo próbować zmodyfikować metodę otrzymywania tarcz wykonanych z jakiegoś określonego, najczęściej opatentowanego materiału, zaprojektować nowy kompozyt, zazwyczaj wraz ze sposobem jego otrzymywania i wskazanym obszarem zastosowania lub zapewnić lepszą ochronę częściom, które już są dostępne na rynku. Połączenie drugiej i trzeciej drogi wybrał dr Jacek Krawczyk. Stworzył kompozyt, który można stosować do nanoszenia powłok na elementach takich, jak na przykład tarcze hamulcowe czy łopatki turbin gazowych, aby je chronić przed szybkim zużyciem lub uszkodzeniem podczas eksploatacji.
Ten przykład pokazuje, że wcale nie musimy od razu myśleć o nowych materiałach bazowych, z których przykładowe tarcze mogłyby być wykonane, choć w tym przypadku materiał powłoki również jest zaprojektowany i otrzymany od podstaw. Poprawie ich trwałości służy odpowiednio zaprojektowana powłoka czy nieco zmienione parametry metody otrzymywania materiału, z którego tarcze albo łopatki są odlewane. Taka ścieżka ma swoje uzasadnienie przede wszystkim w obniżaniu kosztów produkcji. O wiele łatwiej i taniej nieznacznie zmodyfikować proces produkcji, niż wdrażać zupełnie nowy produkt.
W poszukiwaniu najlepszych rozwiązań zawsze kryje się jakaś zagadka. Materiały, z których wykonane są poszczególne elementy, zazwyczaj są opatentowane. A to oznacza, że naukowcy nie mogą sobie pozwolić na zmianę samego składu chemicznego. Dlatego liczą się szczegóły.
Wspomniane tarcze hamulcowe są tego dobrym przykładem. Wiemy, że podczas hamowania dochodzi do zwiększania się temperatury układu. Chcielibyśmy, aby to ciepło nie rozchodziło się we wszystkich kierunkach, lecz żeby było kierowane na zewnątrz. W związku z tym dr Jacek Krawczyk zaproponował kompozyt charakteryzujący się tak zwanym kierunkowym odprowadzaniem ciepła, co dodatkowo – w postaci powłok – może wzmocnić nie tylko wspomniane tarcze, lecz także inne części różnych układów samochodowych, lotniczych albo energetycznych, które narażone są na działanie wysokich temperatur, takie jak na przykład łopatki turbiny.
– Projektując materiał, zaczynam w zasadzie od zera. To żmudna i długa praca. Kompozyt składa się ostatecznie z wielu elementów – faz, które muszą ze sobą współgrać pod kątem fizycznym i chemicznym. Taki materiał musi też być stabilny, inaczej po pewnym czasie mógłby się rozpaść. Najważniejsze, ale też najciekawsze jest balansowanie składu chemicznego. Chcemy, aby nasz materiał był trwały, cechował się małą ilością defektów strukturalnych i miał dokładnie takie właściwości, jakie są nam potrzebne – komentuje naukowiec.
Poszukiwanie nowych składów wiąże się też często z koniecznością nawiązywania kontaktów z innymi naukowcami. W przypadku opracowanego kompozytu nawiązana została współpraca z ekspertami z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, którzy zajmują się między innymi konstruowaniem tak zwanych diagramów fazowych faz kwazikrystalicznych. Dzięki konsultacjom i udostępnionym danym łatwiej oszacować, jaki udział poszczególnych pierwiastków powinien znajdować się w takim stopie, aby mógł być wykorzystany na przykład jako skuteczna powłoka dla wybranych zastosowań.
– Naukowiec niczym magik miesza w „tygielku” pierwiastki, potem je przetapia i, co najważniejsze, bada to co powstało – podkreśla materiałoznawca z Uniwersytetu Śląskiego.
Dobór odpowiednich metod badawczych to często najlepsza droga do skutecznej poprawy technologii otrzymywania materiału. Dobrym przykładem może być inne rozwiązanie, którego współautorem jest dr Jacek Krawczyk. Otóż, wraz z dr. hab. Włodzimierzem Bogdanowiczem, prof. UŚ i mgr inż. Anną Tondos, we współpracy z naukowcami z Politechniki Rzeszowskiej im. Ignacego Łukasiewicza, opracował sposób badania łopatek turbiny w silnikach lotniczych, dzięki któremu udało się zmodyfikować pewne parametry w procesie produkcji, pozwalające otrzymać docelowo bardziej wytrzymały produkt.
– Już ten krótki opis pokazuje, jak skomplikowane jest czasem nasze zadanie. Wiedzieliśmy, że nie możemy zmienić opatentowanego składu chemicznego materiału, z którego wykonane były łopatki. Postanowiliśmy więc opracować metodę ich badania, która pozwoliłaby mierzyć pewne interesujące nas parametry. Chcieliśmy zrozumieć, w jaki sposób wzmocnić odcinek łopatek, o którym wiedzieliśmy, że jest najbardziej podatny na uszkodzenia podczas eksploatacji – wyjaśnia współautor rozwiązania.
– Dzięki tej metodzie wiedzieliśmy, jak zmienić ułożenie formy odlewniczej w piecu podczas odlewania łopatek, aby uzyskać określony kierunek krystalizacji w interesującej nas części łopatki. To był klucz do sukcesu, a wynalazek został objęty ochroną patentową – dodaje naukowiec.
O efektach współpracy można przeczytać w artykule pt. „Nowe rozwiązanie dla przemysłu lotniczego. Patent dla UŚ”.