РУБРИКА "ЧЕРНЫЙ ЯЩИК"Ключевая деталь
Недавно на аэродроме Иркутского авиационного завода состоялся первый полет четвертого самолёта МС-21-300. Он отличается от предшественников двигателями: это не американские «Пратт энд Уитни», а российские ПД-14. Одна из самых важных деталей для них - новая полая лопатка воздухозаборного устройства - создана в уфимском Институте проблем сверхпластичности металлов РАН.
Как подчеркнул главный конструктор ПД-14 (перспективного двигателя тягой в 14 тонн) - глава пермского КБ «Авиадвигатель» Александр Иноземцев, эта деталь - ключевая: не было бы ее - не было бы и двигателя пятого поколения, первого принципиально нового авиамотора со времен СССР. Лопатка - на столе передо мной: изделие сложно изогнутой формы - чтобы «зачерпнуть» как можно больше воздуха. В высоту - около метра - и тем не менее мне удается ее приподнять! Будь деталь монолитной, я бы не сдвинула ее с места. А в вентиляторе увеличенные для большей мощности, но монолитные лопатки просто разлетелись бы в разные стороны под действием центробежной силы. Но теперь они стали намного легче - причем прочность осталась той же. Сегодня они серийно производятся на УМПО. ПД-14 (в котором, естественно, есть и много других новшеств, да и ИПСМ РАН разработал для него не одну деталь) сертифицирован в России, прошел международную сертификацию. Поскольку ни одна страна не хочет впускать конкурентов, идет борьба за получение патентов стран, которые представляют коммерческий интерес для российских авиастроителей. В 10 странах патенты уже получены. Одним словом, мы вернулись в Клуб четырех - четырех стран, где реализуется полный цикл изготовления авиационных двигателей, от чертежей до изделия: это Россия, США, Англия и Франция. Кроме этого, двигатели делают в Китае, в Индии. Но не с нуля. Как известно, МС-21 («Магистральный самолёт XXI века») должен стать флагманским продуктом нашей гражданской авиации и потеснить Boeing 737 MAX, Airbus A220 и Airbus A320neo, а также китайский Comac C919, причем не только в российском небе. Есть все основания надеяться, что в следующем году его начнут производить серийно.
Настоящие нанотехнологии Как же удалось создать изделие столь сложной конфигурации? Начнем сначала: лопатка изготовлена из материала нового типа. Куски и изделия из металлов на самом деле не состоят из бесконечных упорядоченных рядов - «решетки» атомов, как нас учили в школе. Они состоят из областей монокристаллов, развернутых друг к другу под разными углами, - как говорят ученые, «зерен». (Одну сплошную «решетку» имеют монокристаллы: алмаз, кварц, поваренная соль, кремний.) Обо всем этом мне рассказывает директор института - доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН профессор Радик Мулюков. Если взять обычный металл, состоящий из относительно крупных монокристаллов, и подвергнуть растяжению - все зерна будут растягиваться одинаковым образом, если сжимать - одинаково сжиматься. Будут деформироваться. А если уменьшить зерна, причем намного - до микро- и наноразмеров, то есть, как говорят ученые, создать в сплаве ультрамелкозернистую структуру, то при растягивании или сжатии образца они будут просто проскальзывать относительно друг друга. Это и есть сверхпластичность. В этом состоянии металлы можно деформировать практически неограниченно: например, образец из алюминиевого сплава можно растянуть не в полтора раза, как обычно, а в 41 раз. Для придания сверхпластичному сплаву необходимой формы требуется гораздо меньше усилий, и поскольку теперь мы не изменяем форму зерен, прочность изделия будет выше. Вообще, в ИПСМ РАН продемонстрировали, что явление сверхпластичности - это универсальное явление, оно при соответствующих условиях наблюдается практически в любых сплавах. Книга, недавно опубликованная Радиком Рафиковичем в соавторстве с известным индийским ученым Падманабханом и коллегами, так и называется: «Сверхпластичность: общие основы универсального явления». Сегодня сотрудники института могут придать это свойство материалам, которые изначально не обладают даже пластичностью - например, керамике. Как получают материалы с зернами размером до 50 нанометров? Существует несколько способов, и некоторые из них - например, метод всесторонней изотермической ковки - были разработаны в ИПСМ РАН. Суть же всех методов одна - воздействие деформацией. Но сначала, чтобы определить оптимальный режим воздействия, микроструктура изучается при помощи сканирующего электронного микроскопа. Таким образом, мы получили металл для лопаток. Но как сделать их полыми и при этом прочными? Нужна еще одна нанотехнология - диффузионная сварка. Части изделия приводятся в соприкосновение при высокой температуре (но ниже температуры плавления металла) под значительным давлением, и материалы свариваются бесшовно. (Обычные газо- и электросварка, оставляющие грубый шов, в авиадвигателях не используются: грубо и недостаточно прочно.) Итак, берутся три пластины, в определенных местах (в том числе по краям) привариваются друг к другу, затем в конструкцию вдувается аргон. Она расправляется, а внутри появляются так называемые ребра жесткости. Такими легкими, прочными и надежными теперь делают и другие изделия для авиации. Для всего этого понадобилось более 10 лет исследований, опытов, проб и ошибок. В опытном цехе института была изготовлена партия из 64 лопаток: сначала чтобы доказать, что это возможно, затем - для испытаний. Кстати, в Англии технологией изготовления полых лопаток обладает компания «Роллс-Ройс», которая и являлась монополистом в этой области. И там она входит в короткий список «технологий, являющихся национальным достоянием».
Форпост инноваций Разработку столь важной детали ИПСМ РАН доверили не просто так: это единственный в Уфе научный институт первой категории. Он занимает среди институтов своей референтной группы (технология материалов) первое место по количеству цитирований научных работ на одного сотрудника в самых авторитетных базах (WoS, Scopus и РИНЦ), обогнав по этому показателю намного более крупные центральные институты. - Категория института определяется по многим показателям: фундаментальные исследования, прикладные, количество цитирований, защищенная интеллектуальная собственность (российские и международные патенты) и объем внебюджетного финансирования - это сколько нам заплатили за разработки, внедренные в промышленность, - поясняет Радик Рафикович. - Причем регулярно доводить изобретения до внедрения удается далеко не каждому академическому институту. У нас объем внебюджетного финансирования практически равен бюджетному. Наши молодые специалисты имеют возможность заниматься исследованиями в институтах разных стран, с которыми мы сотрудничаем: сегодня они работают в Великобритании, Японии, Сингапуре. Наука же не имеет границ. Но, набравшись опыта, как правило, возвращаются. Раньше это был еще и способ заработать. Теперь же разницы в зарплате практически нет, а свободы творчества у нас больше. За границей исследователь должен строго придерживаться одной темы. Еще мы выпускаем свой собственный журнал - «Письма о материалах». Пока что он переводной, но мы хотим сделать его международным. Тем более что в редколлегии - ведущие специалисты в данной области из разных стран.
От моторов до ракет О технологиях, рожденных здесь и давно вошедших в жизнь, рассказывает руководитель инновационного центра института Вадим Трифонов: - В 1985 году у нас интенсивно развивались авиация, ракетостроение. Конструкторы постоянно закладывали новые материалы с более высокими свойствами - требовалась большая прочность, легкость. И, естественно, снижение себестоимости. Поскольку в нашем городе находится УМПО, в первую очередь, конечно, мы занялись деталями авиадвигателей. Вот это - лопатка-компрессор из титанового сплава. Сделана с применением эффекта сверхпластичности. На заводе она изготавливалась за шесть формообразующих операций, а по нашей технологии - за две. Плюс более высокие свойства. Вслед за авиаторами приехали ракетчики. Говорят: нам тоже нужны технологии, позволяющие снизить себестоимость и повысить свойства. Разработали такие и для них - в частности, для ракеты «Синева». Сегодня это самая далеко летающая ракета для подводных лодок, превышающая по дальности полета американской «Трайдент-II». И мы продолжаем участвовать в ракетостроении. Затем пришли спортсмены - сборная республики по авторалли. И говорят: чтобы выиграть соревнования, нужны мощные двигатели, а самая нагруженная деталь двигателя - поршень. Нужны поршни, которые выдерживают более высокие давление и температуру. И мы сделали такие (тоже с применением явления сверхпластичности). А вслед за ними обратились ребята с КамАЗа, которые участвуют в ралли «Париж-Дакар». И пишут в письме: просим поставить нам 20 поршней для участия в соревнованиях. Мы поставили. Знаете, как приятно наблюдать по телевизору, как наши КамАЗы по пескам всех обгоняют! Дальше, услышав про все это, к нам еще приехали с завода, который выпускает двигатели для морских судов. В них тоже есть поршни - огромные. Они их закупали в Японии. Бывали случаи, когда перемычки на них ломались, и команда была вынуждена останавливать корабль прямо в море и ремонтировать эту деталь. Мы сделали им эти поршни с более высокими свойствами и дешевле. В сложные «нулевые» годы, когда выяснилось, что наши исследования не нужны ни авиации, ни ракетчикам, ни танкистам, чтобы выжить и спасти коллектив, мы были вынуждены заниматься разработками для иностранных компаний, в том числе «Пратт энд Уитни» и «Дженерал Электрик». Бывает, что компании с такими огромными штатами не могут решить те задачи, которые можем решить мы. Наши ребята талантливей. А что нужно, чтобы таланты проявили себя? Знания, технические возможности и время, чтобы подумать. Как-то раз мы проектировали деталь, и они мне говорят: - Мы вам все начертим за четыре дня. На компьютере. - Нет, - говорю я, - чертите на кульмане. И пусть это займет месяц. Зато весь этот месяц вы будете думать, как сделать еще лучше. А на компьютере - выдадите стандартное решение. В те же годы к нам приехали представители Южной Кореи с предложением разработать диски для автомобильных колес. Вообще 80% всех дисков - литые, потому что это самый дешевый способ. 20% - штампованные или, как говорят, кованые: структура материала деформирована, свойства выше, но они дороже. И они говорят: не могли бы вы нам предложить технологию, чтобы свойства дисков были близки к штампованным, а цена - как у литых? И мы ее разработали. Вот лежат образцы - это диски для «Жигулей». Секрет - в жидкой штамповке под высоким давлением. И корейцы тут же создали предприятие «Леформ» и принялись выпускать продукцию по нашей технологии. Меня как ее автора пригласили на открытие. Потом я с этой технологией ездил по России - предлагал выпускать их на наших заводах. Никто не заинтересовался! И сегодня в наших магазинах можно встретить диски южнокорейского производства, изготовленные методом жидкой штамповки. - Мы продемонстрировали вам далеко не все наши изобретения: нужно гораздо больше времени, и не обо всем можно рассказывать, - заключает директор. - Мы работаем и на оборону. Но в основном - на машиностроение. Вообще уровень развития любой страны определяется прежде всего развитием технологий, и в первую очередь - технологий машиностроения. Машиностроение - хребет экономики страны. - Сегодня и заводы, и больницы, и институты гордятся иностранным оборудованием… - А почему? К примеру, в Германии в приемной у директора научного института сидят руководители предприятий: им нужны новые технологии. И директор выбирает, чем заниматься интересней. У нас же бывает наоборот. Мы перебарываем это только благодаря тому, что постоянно создаем уникальные разработки, и кого-то удается убедить, что они необходимы, они принесут прибыль. Вообще же инновации создаются во многих институтах, но внедрять их проблемно. Нужна твердая установка на внедрение. Можно сказать, жажда инноваций.
Углерод - основа суперматериалов Если взять наночастицу никеля в атмосфере атомов углерода, то этот металл «притянет» углерод, атомы которого выстроятся на наночастице в нужном порядке: получится углеродная (графеновая) нанотрубка. Открытие уже применяется на практике. В ИПСМ в основном изучают металлы. А вот молодой профессор РАН Юлия Баимова выбрала в качестве предмета исследований углерод. И намерена создать на его основе новый композитный материал. - У нас каждый любит свой металл: титан, сталь и так далее, считает его самым лучшим, - говорит Юлия Айдаровна. - А я считаю, что самые необычные и перспективные - углеродные структуры. Можно сказать, что у каждой своя индивидуальность, и притом ярчайшая. Например, алмаз - самое твердое природное вещество. Правда, сегодня алмазы уже давно синтезируются искусственно; существует целый класс алмазоподобных веществ и упрочняющих покрытий. Не так давно открыты фуллерены - шарообразные структуры из 60 и 70 атомов углерода (а есть и больше). Но, пожалуй, самая интересная форма - графен. Это слой атомов углерода, собранных в «сетку» с шестиугольными ячейками. В 2004 году учёные Андрей Гейм и Константин Новоселов, ныне работающие в Манчестере, получили графен на подложке из кремния. В 2010-м за опыты с ним они получили Нобелевскую премию. - В чем же его уникальность? - Обнаружилось, что он в несколько раз прочнее стали и при этом хорошо деформируется. Правда, все это известно скорее теоретически: сегодня есть мощные микроскопы, которые позволяют разглядеть структуру толщиной в один атом, но пока нет механизмов, которые могли бы управлять ей: тянуть, сгибать. Но мы можем моделировать эти процессы на компьютере. Зато испытаны уже упомянутые одностенные нанотрубки из графена: в качестве упрочняющей добавки их добавляют в пластик, в металл. Нанотрубки от российской фирмы «Оксиал» недавно добавили в битум, а битум - в асфальтобетон. Испытания показали, что от этого он становится намного устойчивей к образованию колеи и трещин. - Графен - это и новая надежда производителей электронных устройств… - Дело в том, что с каждым годом транзисторы в электронных устройствах становились все меньше и меньше. Представьте себе - на сегодняшнем транзисторе всего около 50 атомов кремния! Мы уже практически уперлись в стену: меньше сделать нельзя - возникла большая проблема отвода тепла, и не только. Сейчас проводятся сотни экспериментов по измерению теплопроводности графена - прогнозируется, что она очень хорошая. Если он лучше, чем кремний, отводит тепло, а также позволяет быстрее проходить зарядам - он может помочь решить эту проблему. Мы не занимаемся электро- и теплопроводностью, у нас другое направление - механические свойства. Но одно влияет на другое. Например, нанотрубка - это как бы свернутый в цилиндр лист графена. Сворачиваем в одном направлении - получаем проводник, сворачиваем по-другому - получаем диэлектрик. Сворачиваем по диагонали - получаем нечто промежуточное. И этим можно оперировать. Так же много графен обещает и в области энергетики. Самый экологичный транспорт будет работать не на электричестве, а на водородном топливе. Но как доставить его на заправку? Водород взрывоопасен. Здесь может помочь «пористый углерод» - графеновые пластинки, загнутые и переплетенные между собой. Их я тоже изучаю. Загоняем в эту пористую структуру водород, перевозим в контейнерах, затем даем температуру - графеновые частички раскрываются, и водород выходит. Это «мешок для хранения водорода». Дело будущего, но если не начать сегодня, то мы ничего не узнаем и ничего не изменим. Сейчас в лабораторных условиях уже делают гибкие прозрачные экраны из графена, солнечные батареи на графене. В НИЯУ МИФИ изготовлена тестовая структура графенового транзистора. На подходе - устройства памяти, емкостью не 16 гигабайт, как эта флешка, а 16 терабайт. Ну а я сама хочу создать композитный материал из графена и металла. Уже есть работы, где листочек графена помещают в металлическую матрицу, и он делает ее намного прочнее… Согласно моему замыслу, металлические частички как бы «обнимут» графеновые, объединяя прочность того и другого и проводимость различных типов. - И как вы этого достигнете? - Я выбрала такой углеродный материал, который можно синтезировать довольно экономично (метод придумали недавно). И сейчас мы ищем способ создания такой графен-никелевой структуры. Возможно, это получится сделать при помощи прессования. Также есть различные химические способы. Мы пока в начале пути. Но если все получится, создадим прочный, легкий материал… и еще с набором других интересных качеств. Одним словом, применение графена ограничивается только нашей фантазией.
Екатерина Климович |