Pracujemy dla Doliny Lotniczej
Opublikowano: 22 marca 2016

Podstawą utworzenia Uczelnianego Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego była ścisła współpraca producenta komponentów i napędów lotniczych WSK „PZL-Rzeszów” S.A. (obecnie Pratt & Whitney Rzeszów) i Katedry Materiałoznawstwa Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej.

Utworzony został klaster uczelniano-przemysłowy ukierunkowany na realizację projektów rozwojowych w obszarach zdefiniowanych jako perspektywiczne dla firm zrzeszonych w Stowarzyszeniu Grupy Przedsiębiorców Przemysłu Lotniczego „Dolina Lotnicza”. Wypracowano zasady planowania i prowadzenia prac naukowo-badawczych dla uzyskania oczekiwanych wyników. Podjęcie decyzji o przyjęciu tematyki badań i skierowaniu projektu do realizacji determinują przyjęte kryteria systemu bramkowego (paszportowego), przede wszystkim trzy główne kryteria oceny:

• stopnia możliwości wdrożenia – opracowania technologii z uwzględnieniem ryzyka osiągnięcia sukcesu aplikacyjnego;
• dostępności aparatury badawczej i organizacji zespołu badawczego niezbędnego do wykonania projektu oraz rozpoznanie możliwości uzyskania dofinansowania dla prowadzonych badań podstawowych;
• możliwości realizacji opracowanego harmonogramu zadań badawczych uwzględniającego wymagania konstrukcyjne i technologiczne oraz wdrożenie ich rezultatów.

Skuteczność wypracowanej strategii planowania i prowadzenia prac naukowo-badawczych w klastrze uczelniano-przemysłowym potwierdziły efekty realizowanych w ramach współpracy Laboratorium Badań Materiałowych dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej i Pratt & Whitney Rzeszów (w latach 2012-2015) projekty, m.in. VACAR i MAGOXY, ukierunkowane na wdrożenie innowacyjnych procesów technologicznych w obszarze wytwarzania silnie obciążonych przekładni zębatych turbinowych silników lotniczych stanowiących jeden z głównych elementów zapewniających bezpieczeństwo lotu.

Projekt VACAR – współfinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju oraz Pratt & Whitney Rzeszów dotyczył opracowania i wdrożenia procesu niskociśnieniowego iniekcyjno-pulsacyjnego nawęglania próżniowego jako zamiennika dla dotychczas stosowanego w technice lotniczej procesu nawęglania konwencjonalnego w atmosferze endotermicznej wzbogacanej metanem. Czynnikiem decydującym o realizacji projektu VACAR było podjęcie przez Pratt & Whitney Rzeszów produkcji przekładni wielodrożnej dla nowej, koncepcyjnie przełomowej, generacji silników turbowentylatorowych GTF (Geared Turbo Fan). Zdefiniowane wysokie wymagania konstrukcyjne w zakresie właściwości użytkowych warstwy nawęglanej kół zębatych silnie obciążonej przekładni GTF warunkowały konieczność wyeliminowania niedoskonałości związanych z konwencjonalnym procesem nawęglania. Dotyczyły one głównie niejednorodności właściwości użytkowych warstwy wierzchniej dla różnych rozmiarów i masy poszczególnych nawęglanych elementów przekładni w wsadzie pieca do obróbki cieplno-chemicznej. Także zagadnienia międzykrystalicznego utleniania powierzchniowego prowadzącego do obniżenia właściwości eksploatacyjnych nawęglanych kół zębatych.

W Laboratorium Badań Materiałowych dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej opracowano proces nawęglania w warunkach niskiego ciśnienia. Podstawą jest autorski program jego symulacji numerycznej w warunkach nierównowagowych. Przyjęty w badaniach model fizyczny opisujący kinetykę dyfuzji atomów węgla uwzględnia założenia dyfuzji reakcyjnej oraz wartości potencjału chemicznego węgla, także zmienne wartości jego współczynnika dyfuzji. Jest zintegrowany z przygotowaną bazą danych – stałych materiałowych charakteryzujących gatunki stali stosowane w produkcji kół zębatych silnie obciążonych przekładni pracujących w temperaturze do 350^oC. Przyjęty model fizyczny pozwala również na kontrolę objętości względnej węglików i ich rozmiarów w warstwie wierzchniej koła zębatego.  Weryfikacją opracowanej technologii były wyniki badań porównawczych warstwy nawęglanej wytworzonej przy zastosowaniu konwencjonalnej procedury nawęglania oraz wytworzonej metodą pulsacyjną w warunkach obniżonego ciśnienia z zastosowaniem pieca próżniowego do obróbki cieplno-chemicznej. Uzyskano pozytywne wyniki potwierdzające jakość technologii – stężenia węglana powierzchni i na głębokości warstwy nawęglonej całkowitej i efektywnej, morfologii składników fazowych, przede wszystkim kształtu i rozmiarów węglików w różnych obszarach mikrostruktury warstwy roboczej zębów, również jej twardości i wytrzymałości zmęczeniowej oraz naprężeń własnych  na głębokości występowania maksymalnych naprężeń stykowych. Stanowiły one również podstawy do podjęcia decyzji o zakupie pieca produkcyjnego do nawęglania próżniowego przez Pratt & Whitney Rzeszów i wprowadzenia tej technologii – 1. w technice lotniczej. Także do opracowania procesu technologicznego obróbki cieplno-chemicznej kół zębatych przekładni GTF. Projekt umożliwił więc zatwierdzenie i wdrożenie przez Pratt & Whitney Rzeszów nowoczesnej technologii przyjaznej dla środowiska, w porównaniu z konwencjonalnym procesem nawęglania. Opracowane rozwiązanie technologiczne jest przedmiotem wspólnego PRz-PWR zgłoszenia patentowego.

Projekt MAGOXY – współfinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju i Pratt & Whitney Rzeszów został zrealizowany w Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego we współpracy z Wydziałem Chemicznym Politechniki Śląskiej. Projekt ukierunkowany był na opracowanie technologii wytwarzania konwersyjnych, antykorozyjnych  warstw ochronnych na podłożu stopów magnezu. Celem było zastąpienie obecnie stosowanego procesu chromianowania zawierającego związki  chromu sześciowartościowego stanowiące zagrożenie kancerogenne. Opracowano w ramach projektu założenia konstrukcyjne do wykonania instalacji badawczej. Uwzględniały układ chłodzenia elektrolitu oraz nowy zasilacz prądowy o dużej mocy. Umożliwia uzyskanie charakterystyki prądowej pozwalającej na wytworzenie jednorodnej warstwy tlenków o jednakowej grubości na całej powierzchni odlewów obudowy przekładni o złożonym kształcie wykonanych ze stopów magnezu. Dokonano charakteryzacji składu fazowego, morfologii składników fazowych mikrostruktury i właściwości fizycznych i chemicznych warstwy wytwarzanej w warunkach utleniania jarzeniowego. Określono, zgodnie z wymaganiami norm lotniczych, stopień powtarzalności procesu oraz stopień adhezji warstwy, jej odporność korozyjną i odporność na erozję. Opracowano również nowe metody kontroli wartości parametrów procesu utleniania jarzeniowego w poszczególnych obszarach obudowy przekładni, niezależne od stopnia złożoności jej kształtu i rozmiarów. Proces umożliwia uzyskanie równomiernej warstwy tlenkowej w wąskim zakresie tolerancji określonej dla techniki lotniczej. Dodatkowo odpowiedni dobór składu chemicznego elektrolitu oraz charakterystyki prądowej umożliwiły uzyskanie wysokiej odporności korozyjnej – większej od prognozowanej w założeniach projektu.

Sukces realizacji przedstawionych projektów jest przykładem możliwie efektywnej interdyscyplinarnej współpracy firmy i jednostki naukowo-badawczej – Pratt & Whitney Rzeszów i Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej – w ramach klastra uczelniano-przemysłowego. Pozwala to stwierdzić, że warunkiem uzyskania wdrożenia jest zdefiniowanie na początku współpracy hierarchii celów i wzajemnych relacji. Uwzględniono nadrzędność potrzeb przemysłu ze rozumieniem otoczenia i przemysłowych wymagań odbiorcy. Uznanie tego priorytetu wymusza charakter i zakres zadań jednostki naukowo-badawczej posiadającej wiedzę teoretyczną oraz odpowiednią aparaturę badawczą.

www.labmat.prz.edu.pl

 

Tagi: Dolina Lotnicza, generacja silników turbowentylatorowych GTF (Geared Turbo Fan), jednostka naukowo-badawcza, Katedra Materiałoznawstwa Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej, klaster uczelniano-przemysłowy, Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej, lotnictwo, Pratt & Whitney Rzeszów, Projekt MAGOXY, Projekt VACAR, przekładnia lotnicza GTF, Stowarzyszenie Grupy Przedsiębiorców Przemysłu Lotniczego „Dolina Lotnicza”, właściwości użytkowych warstwy nawęglanej kół zębatych, WSK „PZL-Rzeszów” S.A.