Rosnące zapotrzebowanie związane z bezpieczeństwem, ekonomicznością, prędkością, zasięgiem i żywotnością podzespołów samolotowych prowadzi do rozwoju branży lotniczej, w tym do opracowywania nowych i ulepszania dotychczasowych środków oraz technologii służących do utrzymania ruchu. Ze względu na rosnące oczekiwania względem materiałów wykorzystywanych w lotnictwie, do ich najważniejszych cech zalicza się parametry takie jak żywotność, wytrzymałość na wahania temperatur i negatywne warunki środowiska, odporność na pełzanie oraz koszty wytworzenia i utrzymania, na które składają się m.in. kontrola i serwis. W związku z powyższym konwencjonalne technologie bazujące na metalach takich jak glin (aluminium), magnez czy tytan ulegają stopniowemu wykluczeniu. Coraz powszechniej stosowaną alternatywą są natomiast nadstopy (superstopy). Ze względu na duży stopień zaawansowania tych materiałów, utrzymanie ich właściwości przez dłuższy okres wymaga odpowiedniego traktowania i konserwacji. Ponadto wysoka cena tych materiałów i ograniczona dostępność sprawiają, że części z ich wykorzystaniem często poddawane są procesowi regeneracji.

Wykorzystywanie nadstopów w branży lotniczej – właściwości i zastosowanie

Wykorzystanie nadstopów jest związane bezpośrednio z ich właściwościami. Najważniejsza z nich to możliwość pracy w bardzo wysokich temperaturach. Jest to szczególnie istotne w przypadku elementów znajdujących się wewnątrz silników odrzutowych i rakietowych. Ze względu na wysokie temperatury panujące w ich wnętrzu niezbędne jest wykorzystanie elementów wyprodukowanych z materiałów odpornych na ekstremalne temperatury, powyżej 1200°C. Nadstopy składają się najczęściej z niklu, kobaltu i żelaza z dodatkiem pierwiastków zapewniających im właściwości takie jak twardość czy odporność na ściskanie i rozciąganie w wysokich temperaturach. Do powszechnie wykorzystywanych nadstopów zalicza się te zbudowane z niklu i kobaltu. Ich szczególną cechą jest struktura krystaliczna zapewniająca zdecydowanie wyższą odporność na pełzanie i deformację w porównaniu do stopów żelaza i tytanu. Ponadto do największych zalet nadstopów zalicza się nadzwyczajną stabilność w całym zakresie temperatur pracy oraz jednorodność materiału zapewniającą wysoką odporność mechaniczną w podwyższonych temperaturach. Biorąc pod uwagę powyższe, ze względu na swoje właściwości, nadstopy oprócz branży lotniczej wykorzystywane są również w najnowszej generacji elektrowniach nadkrytycznych i jądrowych, silnikach diesla czy ogniwach paliwowych. Wśród najpopularniejszych nadstopów na rynku wyróżnia się materiały takie jak Incoloy, Inconel, Nimonic, Hastelloy czy Udimet.

Zabezpieczanie nadstopów za pomocą powłok – właściwości i zastosowanie

Pomimo odporności na wysokie temperatury zazwyczaj konieczne jest dodatkowe zabezpieczenie elementów wykonanych z nadstopów. Wykorzystywane w tym celu powłoki tworzą na powierzchni zabezpieczanego materiału odpowiednio ścisłą strukturę. Zapobiega to wnikaniu do wnętrza materiału bazowego m.in. związków siarki, azotu i innych zanieczyszczeń, co skutecznie chroni przed korozją wysokotemperaturową, nawęglaniem oraz oksydacją. Wyróżnia się trzy zasadnicze rodzaje powłok wykorzystywanych w ochronie nadstopów: powłoki dyfuzyjne, metaliczne powłoki nakładane oraz powłoki termiczne. W zależności od mechanizmu ich nakładania różnią się one właściwościami fizykochemicznymi. Jednakże, pomimo różnic zapewniają doskonałą ochronę nadstopów przed negatywnym wpływem środowiska, pozwalając m.in. na obniżenie temperatury, do jakiej nagrzewa się materiał bazowy nawet o kilkaset stopni Celsjusza.

Usuwanie powłok z nadstopów w procesie regeneracji części

W wyniku pracy w ekstremalnych warunkach powłoki znajdujące się na powierzchni nadstopów ulegają stopniowej degradacji. W takim przypadku znajdujący się wewnątrz materiał bazowy może ulec uszkodzeniu lub zniszczeniu, co w konsekwencji może doprowadzić do awarii części lub całości silnika samolotu. Dlatego też podczas regeneracji takich elementów konieczne jest usunięcie pozostałej powłoki oraz nałożenie nowej. W przypadku nadstopów, których powierzchnia powinna zostać w maksymalnym stopniu nienaruszona, zastosowanie inwazyjnych metod takich jak piaskowanie czy śrutowanie może być niekorzystne. Alternatywą jest chemiczne usuwanie powłok.

Technologia chemicznego usuwania powłok NOYEN

Firma NOYEN opracowała nowoczesną technologię chemicznego usuwania powłok nadstopów. Zastosowanie odpowiednich preparatów stworzonych przez ekspertów z Działu Badań i Rozwoju NOYEN umożliwia regenerację elementów bez ryzyka ich mechanicznego uszkodzenia. W przypadku usuwania powłok ochronnych z nadstopów znaczenie ma nie tylko wykorzystanie odpowiedniego preparatu, ale także właściwego procesu technologicznego. Niezbędne jest tutaj zastosowanie konkretnych parametrów procesu takich jak temperatura oraz obecność i moc ultradźwięków. Należy również wziąć pod uwagę fakt, że w przypadku elementów silnika części nie muszą być w całości pokryte powłoką ochronną. W takim przypadku należy je odpowiednio zabezpieczyć, aby w procesie chemicznego usuwania powłok nie doszło do uszkodzenia nadstopu w miejscach, w których na powierzchni nie ma powłoki.  Eksperci NOYEN są w stanie zapewnić kompleksową usługę chemicznego usuwania powłok nadstopów, począwszy od doboru odpowiedniego preparatu chemicznego i technologii  po realizację procesu uwzględniającą efektywne zabezpieczenie elementów.

Czytaj również: Mycie ultradźwiękowe – na czym polega i jakie ma zastosowanie?

Usuwanie węglika chromu z powierzchni nadstopów

Ważnym aspektem związanym z regeneracją części wykonanych z nadstopów jest również kwestia usunięcia z ich powierzchni węglika chromu. W wyniku narażenia nadstopów na ekstremalne temperatury dochodzi do dyfuzji i utlenienia reaktywnych pierwiastków obecnych w materiale bazowym. Prowadzi to do powstania gradientu ich stężeń oraz utworzenia miejscowych zmian na powierzchni. W wyniku tego znajdujące się w materiale bazowym węgliki, stanowiące dodatek poprawiający właściwości nadstopu, gromadzą się na jego powierzchni. Prowadzi to do heterogenicznych zmian struktury powierzchni, w związku z czym obserwuje się niejednorodną odporność materiału na czynniki zewnętrzne. W przypadku elementów, w których dochodzi do ciągłego kontaktu poszczególnych części, niezwykle istotne jest również zapewnienie wysokiej odporności mechanicznej, co w nadstopach stanowi wyzwanie ze względu na ekstremalne temperatury środowiska. Zastosowanie opartych na chromie twardych powłok znacząco podnosi ochronę przed zużyciem oraz oksydacją, zwłaszcza w wysokich temperaturach. W tym celu wykorzystuje się węglik chromu. Związek ten znakomicie chroni elementy turbiny, które podczas pracy wchodzą w kontakt fizyczny. Jednak mimo swojej użyteczności węglik chromu może stwarzać również poważny problem. Jego usunięcie z powierzchni nadstopu jest niezwykle trudne. Ten proces można przeprowadzić przy pomocy środków mechanicznych. Jednak biorąc pod uwagę wysoką odporność związku, zastosowanie ścierniwa może dodatkowo uszkodzić powierzchnię nadstopu, narażając producenta na wysokie koszty.

Technologia usuwania węglika chromu NOYEN

Eksperci NOYEN opracowali preparat oraz technologię umożliwiającą usunięcie z powierzchni nadstopów węglika chromu bez uszkodzenia materiału bazowego. Pozwala to na bezpieczną regenerację wykorzystywanych elementów. Właściwości węglika chromu powodują, że usunięcie go przy wykorzystaniu powszechnie używanych kwasów i zasad jest bardzo trudne. Istnieją eksperymentalne techniki wykorzystujące zjawiska elektrokinetyczne mające na celu usunięcie tego związku z powierzchni regenerowanych części. Podejście to jest jednak zupełnie nieefektywne w skali przemysłowej, ze względu na niewielką wydajność procesu oraz wysoki koszt i problematyczność wykorzystywanej aparatury. Dlatego też opracowana przez ekspertów NOYEN technologia wykorzystująca odpowiednią mieszaninę substancji chemicznych w połączeniu z siłą ultradźwięków pozwala w łatwiejszy sposób usunąć węglik chromu z powierzchni nadstopów.

W przypadku pracy z drogimi materiałami, do jakich niewątpliwie należą nadstopy, niezwykle istotna jest kontrola jakości procesu obróbki. W NOYEN dysponujemy zaawansowaną aparaturą pomiarową umożliwiającą badanie różnego rodzaju materiałów. Nowatorski skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) z systemem EDS pozwala na błyskawiczną analizę powierzchni materiałów. Pozwala to nie tylko określić efektywność prowadzonych procesów chemicznego usuwania powłok z powierzchni nadstopów, ale również odpowiednio dobrać bezpieczne parametry procesu w celu osiągnięcia  maksymalnej efektywności i skuteczności, co bezpośrednio przekłada się na opłacalność finansową całego przedsięwzięcia.

Jakub Matusiak

Technolog chemiczny, specjalista w zakresie doboru chemii oraz technologii mycia przemysłowego. Odpowiedzialny za opracowywanie formuł preparatów, realizację specjalistycznych badań laboratoryjnych oraz realizację projektów B+R. Pasjonat chemii z silnym zapleczem badawczym w zakresie surfaktantów, polimerów i powierzchni. Autor wielu publikacji z zakresu fizykochemii powierzchni w renomowanych czasopismach naukowych.