• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
1042
Спечь или взорвать?
Физика

Спечь или взорвать?

Шарики вместо метеоритов, танки из военного училища и шедевр японского приборостроения для «выпечки» новых материалов. О том, как ученые Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН создают новые материалы для авиации, космоса и повседневной жизни.

«Стрелочный завод обратился к нам (Институт гидродинамики) с просьбой помочь осуществить упрочнение взрывом подвижной части стрелки. Сотрудники института А. А. Дерибас, Ю. А. Тришин, Е. И. Биченков быстро провели нужный опыт. Обработанная взрывом стрелка была поставлена на путь, и через полгода стало ясно, что она может служить в два раза дольше, чем обычно. При желании за полгода-год можно было наладить упрочнение всех выпускаемых заводом стрелок, и тем самым дать солидную прибыль. К сожалению, из-за бюрократической волокиты широкое внедрение затянулось: чтобы запустить на заводе цех по упрочнению взрывом, понадобилось почти 15 лет!»

Из воспоминаний академика М. А. Лаврентьева

Идея создания новых материалов и улучшение свойств уже известных занимала еще академика Михаила Алексеевича Лаврентьева. Это было в те времена, когда ученые Института гидродинамики СО РАН (ИГиЛ СО РАН) с помощью направленного взрыва под Алма-Атой создали грандиозную противоселевую плотину; разогнали небольшие металлические шарики до космических скоростей, чтобы изучить последствия встречи метеоритов и космических кораблей; научились тушить пожары с помощью вихревых колец.

Благодаря просьбе завода упрочнить стрелочные переводы, ученые ИГиЛ СО РАН обнаружили, что, если взрывом бросать на стрелку металлическую пластину, она, зачастую, к ней приваривается. Так открыли сварку взрывом. В это же время подобными экспериментами занимались в США, ФРГ, Японии, но по количеству различных применений взрыва для сварки Россия занимала практически лидирующее положение в мире. Уже после ухода из жизни М. А. Лаврентьева специалисты Института гидродинамики первыми в мире опубликовали работы об образовании в продуктах взрыва ультрадисперсных частиц алмаза.

Слева направо: к.ф.-м.н. Вячеслав Иосифович Мали, мл.н.с. Максим Александрович Есиков, к.х.н. Дина Владимировна Дудина, к.ф.-м.н. Александр Георгиевич Анисимов

Сегодня ученые Института гидродинамики продолжают работать над созданием новых материалов – теперь для увеличения их прочности, эрозионной стойкости, жаропрочности используют не только взрыв, но и новые технологии, например, Spark Plasma Sintering (SPS) – метод электроискрового спекания. Данная тематика возникла исходя из чисто научного интереса, а в настоящее время благодаря успешным результатам прочно закрепилась за ИГиЛ СО РАН.

Корреспондент журнала «НАУКА из первых рук» встретился с членами «партизанского», никак структурно не оформленного, подразделения института, в который входят лауреат премии Совета Министров СССР за цикл исследований, разработку и внедрение технологических процессов сварки взрывом, к.ф.-м.н. Вячеслав Иосифович Мали, к.ф.-м.н. Александр Георгиевич Анисимов, Максим Александрович Есиков – сотрудники лаборатории физики высоких плотностей энергии и старший научный сотрудник лаборатории детонационных течений к.х.н. Дина Владимировна Дудина.

Ведущий научный сотрудник лаборатории физики высоких плотностей энергии ИГиЛ СО РАН, к.ф.-м.н. В.И. Мали

«Материаловедение как научное направление сформировалось на стыке наук, поэтому оно не вписывается в специфику какого-либо одного института Сибирского отделения. И в Институте гидродинамики никогда не было отдельной лаборатории, в которой разными методами с использованием взрыва и электрического поля создавались и исследовались бы новые материалы. Мы взялись развивать эту тематику по собственному желанию, просто потому что нам было интересно, – рассказывает В. И. Мали – у меня большой опыт работ по сварке взрывом металлов и компактированию взрывом порошков. С Сашей Анисимовым в 2010 г. мы занялись темой электроимпульсного спекания порошковых наноструктурных композитов. Тогда еще без японской установки провели на имеющемся оборудовании опыты с порошками меди и диборида титана. При помощи метода электроимпульсного спекания в одиночных разрядах получили пористые наноструктурные композиты, состоящие из кристаллов диборида титана в медной матрице, практически совпадающие с размером исходных кристаллов диборида титана в медном порошке. И несмотря на пористость полученных нанокомпозитных электродов, их эрозионная стойкость оказалась в четыре раза выше эрозионной стойкости монолитной меди».

Старший научный сотрудник лаборатории физики высоких плотностей энергии ИГиЛ СО РАН, к.ф.-м.н. А.Г. Анисимов

«Получив такие обнадеживающие результаты, приобрели японскую установку Labox 1575, Sinter Land Inc. – она тоже спекает порошки, но немного другим способом – методом электроискрового спекания, – добавляет А. Г. Анисимов, – механизм этих двух методов схож: электрические импульсы, проходя через образец, быстро его нагревают, при этом сохраняют микроструктурные параметры. В точках контакта между частицами может происходить локальный разогрев. Разница только в силе тока, напряжении и времени нагрева. Установка была нужна, чтобы создавать из порошков образцы со 100% плотностью и проводить их испытания».

За прошедшие шесть лет ученые создали ряд интересных нанокомпозитных материалов, свойства которых позволяют использовать их, например, в космосе.

В.И. Мали: «Все материалы, которые используются в авиации и космосе, должны быть жаропрочными и огнестойкими, и сохранять свои свойства в открытом огне. Существующие конструкционные материалы, способные работать при высоких температурах в окислительной среде, ограничены материалами на основе карбида кремния и нитрида кремния, оксидной керамикой и углерод-углеродными композитами с термической защитой. Такие материалы выдерживают температуру до 1600°C.

Перед нами стояла задача создать более термостойкий материал. Используя нашу установку, синтезировали керамику на основе боридов циркония и гафния – получили ультравысокотемпературный керамический материал, устойчивый в окислительной среде при температурах не ниже 2100°C. Теперь этот перспективный материал испытывают в Центральном аэродинамическом институте им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ).

Многослойный композит, полученный комбинированным методом сварки взрывом и электроискрового спекания (SPS). Слои снизу соответственно: никель-медь-тантал-титан сварены взрывом. Сверху титановый сплав приварен к титановой стороне многослойки методом SPS. Изображение предоставлено к.ф.-м.н. В.И. Мали

Хороших результатов добились в создании керамики с открытой пористостью. Из порошка «таркосил», полученного из диоксида кремния SiO2 Институтом теоретической и прикладной механики cовместно с Институтом ядерной физики СО РАН, разработан материал, пригодный в качестве фильтров для промышленного разделения газов. Метод SPS и здесь показал свою эффективность – за относительно малое время мы получали образцы керамики с заранее заданными и контролируемыми пористостью и размером пор.

Микроструктура компакта никель-алмаз, полученного методом электроискрового спекания при 900 °С. Изображение предоставлено к.ф.-м.н. В.И. Мали

Еще один интересный материал с повышенной механической прочностью и сохраненной электропроводностью не менее 75% от электропроводности чистой меди мы получили из меди и диборида титана. Этот композитный материал можно использовать для электроэрозионных и электроконтактных изделий.

Совершенно новый класс металлов, промежуточный между чистым металлом и керамикой, – интерметаллиды. При нормальной температуре они хрупкие, но при нагревании становятся пластичными и при этом не теряют прочность. Интерметаллиды легкие и способны выдерживать высокие температуры, более того, повышение температуры улучшает их свойства. Монолитные образцы интерметаллидов с плотностью около 99% можно спекать прямо в нашей установке».

По словам В. И. Мали на сегодняшний день работы «партизанского отряда» уже входят в план Института гидродинамики. В коллективе, собравшемся «по любви» к общему делу, работают и молодые ученые – Дина Дудина и Максим Есиков.

Старший научный сотрудник лаборатории детонационных течений, к.х.н. Д. В. Дудина

Старший научный сотрудник Д. В. Дудина: «Метод спекания электрическим током известен давно – это направление развивается во всем мире. Я познакомилась с этим методом, когда работала в Южной Корее, мне понравилась тема, в ней много непонятного, есть где развернуться научной мысли – узнать, что происходит на контактах между частицами, как влияют параметры спекания на процесс. SPS-установки производят в Японии, Америке, Германии, количество работ по тематике электроискрового спекания растет лавинообразно, а в Сибири – только две установки, у нас и в Томске».

В. И. Мали: «Мы давно и плодотворно сотрудничаем с Новосибирским государственным техническим университетом, где на хорошей приборной базе проводят комплексное исследование новых материалов. Оттуда к нам пришел Максим Есиков».

Младший научный сотрудник М. А. Есиков: «В Институте гидродинамики я проходил производственную практику, потом выполнил дипломную работу, так здесь и остался. Электроискровое, электроимпульсное спекание – это продолжение взрывной тематики, с которой я начинал работать. Нельзя сказать, что какой-то метод лучше или хуже – выбор метода определяется задачей. Есть работы, в которых мы комбинируем сварку взрывом и спекание на установке.

Методом SPS можно создать элементы в форме шестигранника из карбида бора или карбида кремния, из которых в дальнейшем собирают композитные керамические бронепанели, использующиеся в бронежилетах, в военной и специальной технике

К примеру, существует задача в самолетостроении – заменить титановый сплав более легким материалом. Добавив в титан алюминий, мы получаем жаропрочный интерметаллид титан-алюминий, он легче. А чтобы сделать его более прочным, комбинируем сварку взрывом и последующее спекание на установке SPS. Получаем слоистый металл-интерметаллидный композит».

Если установка для спекания порошков Labox 1575 занимает целую комнату, то взрывная камера – стальной шар правильной формы 10,5 метра в диаметре, с толщиной стенки 24 мм и весом 200 тонн – три этажа отдельно стоящего здания. Сваркой и компактированием порошков взрывом заниматься могут не все – для такой работы у научного сотрудника должно быть удостоверение взрывника.

Взрывную камеру готовят к работе, 1974 г.Фото из архива ИГиЛ СО РАН

«Расскажу, как этот шар устанавливали – это отдельная история, – рассказывает ведущий инженер-технолог Иван Алексеевич Стадниченко, – тут недалеко была площадка, заросла теперь, там монтировали шар. Потом вырыли котлован, заполнили водой (зимой было дело), закатали к нему горку ледяную. Потом приехали два танка из Военного училища (НВВКУ) и столкнули конструкцию по горке в резервуар с водой, в которой шар нужным образом ориентировали. Потом откачали воду, а вокруг построили здание. Строительство, установка обошлись Сибирскому отделению в 900 тысяч. Советских рублей.

Загадка про дятла. Автор Иван Алексеевич Стадниченко.Чем предположительно сделано это отверстие? Плазменной струей, кумулятивным зарядом или ломом?

Взрывную камеру ученые используют для ускорения компактных частиц до скоростей, близких к космическим. Еще во времена первых полетов человека в космос, в Институте гидродинамики моделировали удары микрометеоритов по элементам космических аппаратов с помощью взрывных ускорителей частиц. За время существования взрывной камеры в ней проведено более шести тысяч взрывов. В среднем происходит один подрыв в два дня. Подготовка к взрыву может занимать несколько недель. Используем только безопасные и безвредные детонаторы. Видимая оболочка внутри камеры – противоосколочная защита (10 мм стали), за ней ~150 мм бетона, в том числе и с радиационной защитой – строили-то в Советском союзе, когда была угроза ядерного взрыва. Так, чтобы в случае опасности наш шарик мог стать бункером».

Младший научный сотрудник лаборатории физики высоких плотностей энергии М. А. Есиков и ведущий инженер-технолог И.А. Стадниченко внутри взрывной камеры

На установке Labox 1575 исследования процессов получения материалов в условиях импульсного электрического поля ведутся ежедневно. Появляется все больше заказчиков, материаловедение интересует всех – новые разработки требуют новых материалов. Группа В. И. Мали сотрудничает с Институтом химии твердого тела и механохимии, Институтом лазерной физики, Институтом катализа им. Г. К. Борескова, Институтом неорганической химии им. А. В. Николаева, Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и Институтом теоретической и прикладной механики им. им. С. А. Христиановича.

В. И. Мали: «На Западе материаловедение развивается быстрыми темпами, новые разработки сразу внедряются. У нас в стране мало кто готов подхватывать только идеи. Хотя мы, создавая материалы, думаем не только об их уникальных свойствах, но и о том, где они могут пригодиться. У нас не проводится стандартизация и достаточная технологическая проработка получения новых материалов. Поэтому следом должны идти те, кто будет непосредственно внедрять. Но идти некому, отраслевые институты, которые занимались этим в советское время, почти все исчезли. Внедрение не является задачей РАН, и в академических институтах этим не занимаются. В результате имеем известный парадокс, когда опубликованными российскими идеями пользуется весь мир, а в самой России механизмы доведения идей до промышленного производства пробуксовывают. Особенно сильно это проявилось с взрывными методами обработки материалов, которые трудно совмещаются с традиционными производственными процессами. Есть надежда, что методу SPS повезет с внедрением больше».

Подготовила Татьяна Морозова

Редакция благодарит Наталью Бородину за идею публикации и предоставленные материалы

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments