Roncsolásmentes anyagvizsgálat neutron- és röntgendiffrakcióval

Az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat Energiatudományi Kutatóközpont (ELKH EK) új, H2020-as neutronkutatási projektje januárban indult, nemzetközi anyagvizsgálati szabvány ipari bevezetésére. A magyar kutatók közel 150 millió forintot nyertek e munkára.


A neutronnyalábokkal való anyag­vizsgálat eddig is lényeges szerepet játszott szá­mos ipari alkalmazásban, napjainkban viszont új korszak nyílhat, és ebben nemzetközi szinten is úttörő szerep juthat Magyarországnak. A csillebérci campuson 60 éve működik biztonsá­go­san a Budapesti Kutatóreaktor (BKR), amely a kutatási és mérnöki feladatok széles körét szolgálja ki 15 mérőberendezésével.

Az EK csillebérci campusán működő 10 megawatt teljesítményű Budapesti Kutatóreaktor tömbje és a neutronnyaláb­kivezetésekhez csatlakozó neutrondiffrakciós berendezések

Az elmúlt néhány évben a BKR-nél nemzetközileg is egyedülálló műszeregyüttest és eljárásokat fejlesztettek ki anyagvizsgálati feladatok sokrétű és komplex megoldására. Például egy bonyolult, alumíniumból készült alkatrész anyaghibáit tárták fel neutron­tomográfiás képalkotó eljárással – erről tavaly májusban írtunk az Innotékában. Hamarosan megvalósul az alacsony költségű és helyigényű, viszonylag kis intenzitású, úgynevezett kompakt neutronforrások használatba­vétele, ami a neutronos anyag­vizsgálatokat sokkal hozzá­férhe­tőbbé teszik ipari és egyetemi környe­zetben. Európában elsőként épül fel 2022-re egy ilyen kompakt neutron­forrás proto­típusa Marton­vásáron a Mirrotron Kft. és az EK közös, zöldmezős beruházásában.

Ebbe a felfutó ipari alkalmazási prog­ramba illik bele az EK új, EU H2020 projektje. Az ipari ágazatok széles körében fémszerkezetek alkotják a gyártmányok igen jelentős részét, és számos területen, például az energetikában, az űrkutatásban, a repülőgépiparban, az autó­iparban igencsak kritikus szempont a magas minőség és biztonság, illetve a költség­hatékony anyagfelhasználás és megmunkálás. A fémeket azonban kevéssé használják optimálisan, mi­vel a tervezésnél az anyagfáradást vagy alkatrész-meg­hibáso­dást kiváltó belső fe­szültségek miatt okozott problémák eny­hítésére túlzóan konzervatív biztonsági tényezőket alkalmaznak. A tényleges feszültség­eloszlások isme­rete és ezek beépítése a tervezési-modellezési eljárá­sokba háromféle ver­senyelőnyt eredmé­nyez­het az ipar­­vál­lala­tok számára: 1. meg­növekedett élet­tartam és kisebb meg­hibásodási kockázat; 2. csökkentett anyag­felhasználás a redukált biztonsági tényezők miatt; 3. az új gyártási technológiák bevezetése, illetve új anyagok-termékek forgalomba hozatali idejének lerövidülése.

A modern gépalkatrészek előállításakor gyakran egyszerre alkalmaznak hőkezelést és alakformálást. A sok­komponensű ötvözeteknél az eljárásoktól függ a fémszerkezeti összetétel, így a maradó feszültség is. A projektben az anyagok­ban-alkatrészekben a maradék belső feszültség roncsolásmentes röntgen- és neutron­diffrakciós vizsgálata a cél. Az ilyen feszültségmeghatáro­zás az egyik leg­hatékonyabb roncsolásmentes kísérleti módszer. Az ELKH EK Neut­ron-­spektroszkópiai Laboratóriumának munkatársai a közel 150 millió forintos, hároméves pályázati támogatást új ipari roncsolásmentes anyag­vizsgálati szabvány kidolgozására és bevezetésére kapták.

Az EK Budapesti Neutron Centrumának (BNC) munkatársai jelentős tapasztalattal rendelkeznek a neutrondiffrakciós feszültséganalízisben. A képen a BNC egyik spektrométerének mintaasztala látható, melyen a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ) által kezdeményezett projektben atomreaktorok tartályaként használt anyag belső­feszültség-mérése folyik.

A tizenöt partner összefogásával, összesen 4,74 millió euróval támogatott projektben az ipari cégek – a kutató­intézetek­kel együtt – meghatározzák és elő­­­állítják a profiljuknak megfelelő vizsgálati mintákat, majd rendelkezésre bocsátják a kísérleti alkatrészeket. A projektben partnerként négy kiemelkedő európai kutatási infrastruktúra, egy egyetem, két kutatás­közvetítő cég és hét csúcsvállalat vesz részt. A munkában többek között olyan ismert cégek leány­vállalatai vesznek részt, mint az Airbus, a Rolls-Royce és a Siemens vagy az EDF (francia atom­erőmű-gyártó), a NEMAK (öntőipari óriás, például győri autóipari beszállítóüzemmel), illetve a világ legnagyobb acélgyártója (Acelor-Mittal), valamint a világ vezető 3D fémnyomtató cége (Volum-E). Az ezekkel a cégekkel való együttműködés hazai vonatkozásban is fontos ipari szereplők kutatás-fejlesztési tevékenységét segítheti elő, például a repülőgép­ipari, autóipari beszállítók vagy a paksi erőmű bővítésében közreműködő vállalatok esetében.

A módszer lényege a következő: a gyártási folyamatok paraméterei nagy­mértékben befolyásolják az anyag­szerkeze­tet, öntvényeknél például a meg­szilárdulás sebessége kihat az ötvözeti anyagok atomjainak elhelyezke­dé­sére. Ha nem az ideális kristályszerkezet alakul ki, akkor az anyagon belül feszültség marad. Röntgendiffrakcióval az alkatrészek felületén, neutronokkal az anyagok mélységében is látható az atomi szintű mikro­szerkezet, és ebből kiszámítható, behatárol­ható a belső feszültség.

A BNC Yellow Submarine nevű neutron-spektrométerének mintaasztalán egy erűművi gázturbina lapátkereke látható. A roncsolásmentes vizsgálattal a lapát­befogó hornyoknál fellépő feszültséggócokból kiinduló mikrorepedések állapota mérhető fel – ez támpontot ad a turbina lehetséges élettartam-hosszabbításához.

A diffrakciós méréseket a kutatási infra­­struktúrák végzik: a röntgen­vizsgálato­­kat a két legnagyobb európai szink­rot­ron­forrásnál (ESRF-Gre­noble, HZG-Ham­­burg) valósítják meg. A Manchesteri Egyetem mellett dán és francia tech-transzfer cégek (DTI, CETIM) gondoskodnak a modellezés-validálás össze­hangolásáról, illetve az eljárás szabványba vitelének feladatairól. A neutronos kísérleteket a világ leg­jelentősebb neutron­kutató intézetében (ILL-Gre­noble), valamint az ELKH EK égisze alatt működő Budapesti Neutron Centrumban (BNC) végzik. A BNC munkatársai jelentős tapasztalattal rendelkeznek a neutron­diffrakciós feszültség­analízisben – ezért is kaptak meghívást az EU-s projektbe.
A projektnek ugyancsak fontos cél­kitűzése e technikák pontossá­gának és meg­bízhatóságá­nak érvényesítése, illetve elismerte­tése a már szélesebb körben használt destruktív mérési technikákkal szemben – vagy esetleg ezekkel együtt alkalmazva komplemen­ter módszerként való bevezetése. További feladat a mérések szabványosítá­sára irányuló protokollok és eljárások kidolgozása és végrehajtása, mind a szabvány­ügyi testületekkel, mind az ipari partnerekkel szoros együttműködésben annak érdekében, hogy előmozdítsák azok ipari elfogadását.
A hazai kutatócsoport tagjai: Markó Márton (projektvezető), Káli György, Rosta László, Szabolics Tamás, Szakál Alex, Török Gyula.


 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021
Címkék

Innotéka