Ústav materiálov a mechaniky strojov SAV, v. v. i.
Názov témy
Skúmanie dynamiky zvarového kúpeľa a metalurgických mechanizmov kondenzátorového privárania svorníkov na hliníkových zliatinách pre kozmické aplikácie v podmienkach vákua
Program DŠ
Strojárske technológie a materiály
Rok prijímania
2026
Meno školiteľa/-ky
Ing. Marek Gebura, PhD.
Kontakt:
Prijímajúca škola
Fakulta špeciálnej techniky TnUAD
Stručná anotácia
Dizertačná práca sa zameriava na vytvorenie komplexnej fyzikálnej a metalurgickej interpretácie kondenzátorového privárania svorníkov (CCDS), realizovaného vo vákuových podmienkach (10⁻³ Pa), na vybraných hliníkových zliatinách používaných v kozmických systémoch – konkrétne 2195, 2219, 6062, 7050 a 7075. Tieto materiály budú použité vo forme tenkých plechov a v stavoch tepelného spracovania typických pre ich kozmické aplikácie. Ich povrch bude pokrytý náterom, anodickou vrstvou alebo viacvrstvovou tepelnou izoláciou (MLI), pričom skúmané budú aj surové povrchové stavy. Výskum bude skúmať jednak procesy spájania identických materiálov s použitím svorníkov zodpovedajúcich danej zliatine, ako aj konfigurácie rozdielnych materiálov s použitím oceľových svorníkov triedy A2 (nehrdzavejúca oceľ). Svorníky z materiálu triedy A2 už preukázali schopnosť prenikať povlakmi aj MLI pri súčasnom vytváraní spojov, a preto sú vysoko relevantné pre aplikácie na orbite. Práca si zachová flexibilitu skúmať a vyhodnocovať aj ďalšie materiály svorníkov alebo povlaky, ak to bude vedecky odôvodnené, s cieľom dosiahnuť vyššiu integritu spoja, metalurgickú kompatibilitu a prevádzkovú spoľahlivosť vo vesmíre.
Ústredným zameraním práce je vplyv vákuových podmienok na fyziku plazmy a oblúka, keďže absencia atmosférických plynov ovplyvňuje difúzny režim oblúka, potláča plynodynamickú zložku plazmy a zásadne modifikuje profil tlaku oblúka pôsobiaci na rozhraní svorník – základný materiál. Kým elektromagnetické silové pôsobenie na oblúk (pinch efekt) zostáva v princípe nezmenené, znížená hustota prostredia vedie k odlišným charakteristikám expanzie plazmy, čo následne ovplyvňuje stabilitu zvarového kúpeľa, hĺbku pretavenia, turbulenciu a vypudzovanie roztaveného kovu v porovnaní s CCDS priváraním v atmosférických podmienkach.
Z metalurgického hľadiska absencia vzduchu prináša kontrolovanejšie a predvídateľnejšie chemické prostredie, avšak tvorba intermetalických zlúčenín (IMC) v pároch rovnakých aj rozdielnych materiálov zostáva kritickým faktorom. Práca bude skúmať kinetiku a morfológiu tvorby IMC naprieč hliníkovými systémami s rôznymi legovacími prvkami – zliatiny obsahujúce Li (2195), zliatiny bohaté na Cu (2219), zliatiny Mg–Si (6062) a Zn-bohaté vysokopevnostné zliatiny (7050, 7075). Práca bude tiež analyzovať, ako skúmané prevádzkové podmienky ovplyvňujú pórovitosť, segregáciu, zjemnenie zrna a teplotnú históriu rýchlo tuhnúceho zvaru.
Okrem toho prítomnosť povrchových úprav a MLI prináša do fyzikálneho aj metalurgického porozumenia procesu CCDS vo vákuu ďalšiu vrstvu komplexnosti. Z fyzikálneho hľadiska povlaky ovplyvňujú lokálne rozloženie elektrického poľa, keď je oblúk nútený iniciovať a horieť cez preniknutú oblasť, čím menia správanie koreňa oblúka a stabilitu plazmy. Z metalurgického hľadiska sa fragmenty a produkty rozkladu z povlakov alebo MLI môžu dostať do plazmy, byť ionizované a následne interagovať s roztaveným kúpeľom. Následne môžu meniť chémiu taveniny, ovplyvniť procesy tvorby IMC, zasiahnuť do priebehu tuhnutia a napokon prispieť k zmenám chemického zloženia a mikroštruktúry zvaru.
Integráciou plazmovo-fyzikálneho modelovania, modelovania dynamiky taveninového kúpeľa a pokročilej mikroštruktúrnej a mechanickej charakterizácie si práca kladie za cieľ poskytnúť prvé mechanistické vysvetlenie správania CCDS zvárania vo vákuu pre tieto zliatinové systémy. Výsledné modely a experimentálne zistenia budú predstavovať vedecký základ potrebný na spoľahlivé nasadenie CCDS zvárania pri výrobe na orbite, lunárnej výstavbe a zachytávaní orbitálneho odpadu, kde musia spojovacie operácie fungovať v nízkotlakových prostrediach zásadne odlišných od pozemských podmienok.
Experimentálna časť bude realizovaná na Ústave materiálov a mechaniky strojov SAV, ktorý je vybavený modernizovanou vákuovou komorou a prototypom CCDS zváracieho koncového efektora, schopným vyrábať desiatky vzoriek týždenne. Doktorand bude mať priamy prístup k špičkovým charakterizačným technikám vrátane SEM s EDS, EBSD, TEM a XRD, dostupným buď priamo na pracovisku, alebo v rámci Slovenskej akadémie vied. Procesné a fyzikálne modelovanie bude doctorand realizovať s využitím voľne dostupného vedeckého softvéru, ako sú napr. Octave, FreeFEM, OpenFOAM, MOOSE alebo ekvivalentné open-source nástroje, čím sa zabezpečí reprodukovateľnosť a metodická transparentnosť. Dizertačná práca bude začlenená do prebiehajúceho projektu ROBSIM financovaného z Plánu obnovy a odolnosti Slovenskej republiky a výskumné aktivity budú zosúladené s plánovanými žiadosťami o ďalšie kontrakty ESA a s výzvou APVV.
Ústredným zameraním práce je vplyv vákuových podmienok na fyziku plazmy a oblúka, keďže absencia atmosférických plynov ovplyvňuje difúzny režim oblúka, potláča plynodynamickú zložku plazmy a zásadne modifikuje profil tlaku oblúka pôsobiaci na rozhraní svorník – základný materiál. Kým elektromagnetické silové pôsobenie na oblúk (pinch efekt) zostáva v princípe nezmenené, znížená hustota prostredia vedie k odlišným charakteristikám expanzie plazmy, čo následne ovplyvňuje stabilitu zvarového kúpeľa, hĺbku pretavenia, turbulenciu a vypudzovanie roztaveného kovu v porovnaní s CCDS priváraním v atmosférických podmienkach.
Z metalurgického hľadiska absencia vzduchu prináša kontrolovanejšie a predvídateľnejšie chemické prostredie, avšak tvorba intermetalických zlúčenín (IMC) v pároch rovnakých aj rozdielnych materiálov zostáva kritickým faktorom. Práca bude skúmať kinetiku a morfológiu tvorby IMC naprieč hliníkovými systémami s rôznymi legovacími prvkami – zliatiny obsahujúce Li (2195), zliatiny bohaté na Cu (2219), zliatiny Mg–Si (6062) a Zn-bohaté vysokopevnostné zliatiny (7050, 7075). Práca bude tiež analyzovať, ako skúmané prevádzkové podmienky ovplyvňujú pórovitosť, segregáciu, zjemnenie zrna a teplotnú históriu rýchlo tuhnúceho zvaru.
Okrem toho prítomnosť povrchových úprav a MLI prináša do fyzikálneho aj metalurgického porozumenia procesu CCDS vo vákuu ďalšiu vrstvu komplexnosti. Z fyzikálneho hľadiska povlaky ovplyvňujú lokálne rozloženie elektrického poľa, keď je oblúk nútený iniciovať a horieť cez preniknutú oblasť, čím menia správanie koreňa oblúka a stabilitu plazmy. Z metalurgického hľadiska sa fragmenty a produkty rozkladu z povlakov alebo MLI môžu dostať do plazmy, byť ionizované a následne interagovať s roztaveným kúpeľom. Následne môžu meniť chémiu taveniny, ovplyvniť procesy tvorby IMC, zasiahnuť do priebehu tuhnutia a napokon prispieť k zmenám chemického zloženia a mikroštruktúry zvaru.
Integráciou plazmovo-fyzikálneho modelovania, modelovania dynamiky taveninového kúpeľa a pokročilej mikroštruktúrnej a mechanickej charakterizácie si práca kladie za cieľ poskytnúť prvé mechanistické vysvetlenie správania CCDS zvárania vo vákuu pre tieto zliatinové systémy. Výsledné modely a experimentálne zistenia budú predstavovať vedecký základ potrebný na spoľahlivé nasadenie CCDS zvárania pri výrobe na orbite, lunárnej výstavbe a zachytávaní orbitálneho odpadu, kde musia spojovacie operácie fungovať v nízkotlakových prostrediach zásadne odlišných od pozemských podmienok.
Experimentálna časť bude realizovaná na Ústave materiálov a mechaniky strojov SAV, ktorý je vybavený modernizovanou vákuovou komorou a prototypom CCDS zváracieho koncového efektora, schopným vyrábať desiatky vzoriek týždenne. Doktorand bude mať priamy prístup k špičkovým charakterizačným technikám vrátane SEM s EDS, EBSD, TEM a XRD, dostupným buď priamo na pracovisku, alebo v rámci Slovenskej akadémie vied. Procesné a fyzikálne modelovanie bude doctorand realizovať s využitím voľne dostupného vedeckého softvéru, ako sú napr. Octave, FreeFEM, OpenFOAM, MOOSE alebo ekvivalentné open-source nástroje, čím sa zabezpečí reprodukovateľnosť a metodická transparentnosť. Dizertačná práca bude začlenená do prebiehajúceho projektu ROBSIM financovaného z Plánu obnovy a odolnosti Slovenskej republiky a výskumné aktivity budú zosúladené s plánovanými žiadosťami o ďalšie kontrakty ESA a s výzvou APVV.