От фундаментальных исследований – к прорывным технологиям!

В мае 2017 года свершилось долгожданное событие: «магистральный самолет XXI века» МС-21 стремительно взмыл в сибирское небо. Авиационная машина парила со скоростью 300 километров в час. Узкофюзеляжный самолет с суперсовременными техническими характеристиками стал надеждой возрождения гражданской авиации России.

Первый полет означал завершение длительного периода работ и освоение самых современных прогрессивных технологий. Новая отечественная разработка, перспективный пассажирский самолет вместимостью от 150 до 211 пассажиров, создается на замену советским Ту-154 и Ту-204, зарубежным Boeing–737, А-320 и другим. МС-21 будет конкурировать с воздушными судами ведущих мировых компаний «Боинг» и «Аэробус».
Ранее Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК) провела летные испытания новейшего и полностью отечественного турбовентиляторного двигателя пятого поколения ПД-14. Он стал одним из ключевых проектов российского авиастроения. Специально для МС-21 в силовой установке использованы инновационные решения, значительно сократившие потребление топлива, вредные выбросы и шум.
В конце 2020 года было объявлено, что самолет МС-21 поднялся в воздух с двигателем ПД-14. Этот высокотехнологичный механизм - одно из самых сложных технических устройств, первый двигатель нового поколения, созданный в современной России. По оценке экспертов, такое событие случается один раз в 40 лет. Наша страна вернула себя в четверку ведущих мировых держав, имеющих производство собственных газотурбинных авиадвигателей.
В одном из ключевых элементов конструкции ПД-14 воплощен результат многолетнего труда сотрудников Института проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук в Уфе. Это единственный в мире НИИ, созданный специально для изучения и использования явления сверхпластичности. Его открытие опиралось на успешные исследования коллектива специалистов Уфимского авиационного института и специального конструкторско-технологического бюро «Тантал» под руководством основателя и первого директора НИИ Оскара Кайбышева.
- Сверхпластичность - это способность металлов и сплавов при пластической деформации, как правило, при высоких температурах, проявлять аномально высокие степени деформации. При растяжении удлинение составляет тысячи процентов, материал увеличивается в размерах без разрушения в десятки раз, - рассказывают сотрудники ИПСМ РАН. - Это явление было открыто в 1945 году академиком Андреем Бочваром и его аспиранткой Зоей Свидерской. Они обнаружили, что сплав цинка с алюминием при соответствующих условиях может вытягиваться в очень длинную тонкую нить. В 1960 годах ученые осознали перспективность использования этого феномена и начали интенсивные исследования. К началу 70-х к ним присоединились и специалисты в Уфе.
Было выявлено, что сверхпластичность – это универсальное явление, которое реализуется в различных сплавах, в том числе в обычном состоянии труднодеформируемых, и требует создания в них соответствующей структуры. Материал становится сверхпластичным при определенных условиях, если имеет поликристаллическую структуру с очень мелкими зернами, так называемую ультрамелкозернистую (УМЗ) структуру. В зависимости от сплава необходимо достигать размеров зерен около 1-10 микрометров, в то время как металлы и сплавы в литом состоянии имеют параметры зерен в сотни микрометров или даже несколько миллиметров. Следовательно, для выпуска сверхпластичных сплавов необходимо было освоить создание в них УМЗ-структуры. В ИПСМ РАН прежде всего научились получать полуфабрикаты с УМЗ-структурой десятков промышленных сплавов титана, алюминия, магния; жаропрочных сплавов никеля, интерметаллидов на основе алюминидов титана. Были проведены масштабные исследования их сверхпластического поведения.
- Выяснилось, что это свойство можно использовать в такой распространенной технологической операции, как штамповка деталей. Сверхпластичный металл «затекает» в мельчайшие полости, что позволяет в один переход или небольшое их число штамповать весьма сложной формы детали. А листовые заготовки сверхпластичного сплава можно формовать, «надувая» их, как воздушный шар, подавая внутрь инертный газ аргон для предотвращения окисления металла при высокой температуре под небольшим давлением, - поясняют работники института. - Металлы и сплавы можно соединять друг с другом с помощью диффузионной сварки, при которой между заготовками одноименных или разнородных металлов, приведенными в плотное соприкосновение друг с другом в вакууме, происходит взаимное проникновение атомов. Заготовки схватываются, образуя так называемое твердофазное соединение, значительно более прочное, чем полученное электрической или другой сваркой, использующей плавление.
Все это было реализовано в ресурсосберегающих технологиях производства сложных деталей: сверхпластической штамповке, формовке, в том числе в комбинации с диффузионной сваркой. Изготовленные детали требуют лишь незначительной дальнейшей обработки (резания, шлифовки), что повышает коэффициенты использования металла и необрабатываемых поверхностей. Что особенно важно, при этом одновременно улучшается качество готовой продукции.
Эти технологии в первую очередь были востребованы в авиационной промышленности. При производстве самолетов используются алюминиевые сплавы, а их двигателей – сплавы титана, жаропрочные сплавы на основе никеля. Перспективным стало применение легких интерметаллидных сплавов на основе соединения TiAl. Научно-практические разработки института были сосредоточены именно на них. Сотрудники создали ряд технологий выпуска деталей газотурбинного двигателя из титановых и никелевых сплавов, которые успешно были внедрены в Уфимском моторостроительном производственном объединении, Кумертауском авиационном производственном предприятии, АО «УАП «Гидравлика», «Астраханьгазпроме», «Уфанефтехиме», «Спецмагните» (Москва), КамАЗе, Нефтекамском заводе самосвалов.
...В прошлом лишь единственная компания в мире Rolls-Royce могла производить сложнейшую деталь авиационного двигателя – полую лопатку вентилятора из титанового сплава. В Великобритании для облегчения веса лопатки ее изготовили в виде полой ячеистой конструкции наподобие картона, и с этой целью были использованы диффузионная сварка и сверхпластическая формовка. Создавая с помощью тех же методов модельные полые конструкции различных видов, институт освоил и превзошел это техническое достижение. К 2006 году, когда Пермское конструкторское бюро «ОДК-Авиадвигатель» начало работу над перспективным двигателем, уфимские ученые уже имели большой опыт в создании модельных полых конструкций из титановых сплавов и были готовы к разработке технологии изготовления лопатки для ПД-14.
В те годы институт возглавил доктор физико-математических наук Радик Мулюков, ныне член-корреспондент Российской академии наук, собравший вокруг себя энергичную команду единомышленников и нацеливший коллектив на выполнение амбициозных задач. В целях достижения научных результатов мирового уровня и внедрения их в промышленность был взят курс на углубление и расширение фундаментальных исследований, налаживание контактов с отечественными предприятиями. Тогда и был сформулирован девиз коллектива «От фундаментальных исследований – к прорывным технологиям!». Институту удалось включиться в разработку технологии изготовления полой лопатки вентилятора и в сотрудничестве с предприятиями Объединенной двигателестроительной корпорации ее создать. Эта технология позволила превзойти по некоторым характеристикам лопатку фирмы Rolls-Royce. В результате была нарушена многолетняя монополия компании на уникальное изделие, а способ его изготовления - основа разработанной институтом технологии - запатентован в 25 государствах мира, включая США, страны Евросоюза, Азии.
Это наиболее яркое, но не единственное достижение ученых Института проблем сверхпластичности металлов. Так как в основе любой технологической новинки лежат глубокие научные знания, здесь по-прежнему придают огромное значение фундаментальным исследованиям. ИПСМ РАН уже многие годы является не узкоспециализированным, а многопрофильным научным учреждением, решающим широкий круг задач в области физики конденсированного состояния, материаловедения, механики и обработки металлов давлением, а также в сфере производства опытных и мелкосерийных партий изделий.
…В конце 1980 годов в мире начался бум, связанный с нанотехнологиями и наноматериалами. После первых публикаций о нанокристаллах – поликристаллических материалах, имеющих размер зерен в интервале от нескольких до 100 нанометров и обладающих уникальными свойствами, в том числе высокой прочностью, и визита в институт автора первых статей, известного материаловеда, профессора Исследовательского центра Карлсруэ (Германия) Герберта Гляйтера, в Уфе также начались исследования в этой области.
Так как для достижения сверхпластичности в ИПСМ РАН уже умели измельчать зерна в металлах и сплавах до уровня 1-10 микрометров, то задача продвижения по шкале размеров вниз до 100 нанометров – 1 микрометра была успешно решена несколькими способами.
- Для получения наноматериалов мы стали подвергать металлы очень большой пластической деформации. С этой целью использовали и усовершенствовали предложенные незадолго до этого свердловскими и минскими учеными методы кручения под высоким давлением и равноканального углового прессования, а также создали собственный метод всесторонней изотермической ковки, - комментируют собеседники. - Оказалось, что третий метод является самым перспективным для промышленного применения, позволяющим производить большие полуфабрикаты практически любого металла или сплава с размером зерен значительно меньше одного микрона.
По словам сотрудников, схема всесторонней изотермической ковки проста: она представляет собой многократное повторение совокупности известных кузнечных операций осадки и протяжки, которые выполняются поочередно во всех направлениях, как при замесе теста. В научном плане метод основан на глубоком понимании процессов изменения структуры металлов, которые происходят при пластической деформации.
Производство наноструктурных металлов этим способом превращает основанные на сверхпластичности технологии в еще более совершенные и востребованные. Сверхпластическое состояние в таких материалах достигается при более низких температурах и достаточно высоких скоростях, чем это было раньше. Более того, в уфимском НИИ впервые было показано: если такую диффузионную сварку двух металлов в обычном состоянии осуществлять с использованием наноструктурной прослойки, то этот процесс можно проводить при пониженной температуре. В результате область сварки оказывается даже прочнее, чем сами свариваемые заготовки! Стало возможным промышленное изготовление той же полой лопатки вентилятора уже с использованием наноструктурных листов титана, что существенно повышает их технические характеристики.
Кроме высокой прочности и сверхпластичности, большой интерес представляют и другие свойства наноматериалов. В ИПСМ РАН были получены приоритетные научные результаты, доказавшие, что у нанокристаллов, изготовленных деформационными методами, меняются фундаментальные теплофизические, электрические и магнитные свойства.
- Например, у металлов есть очень важная характеристика – работа выхода электрона, определяющая энергию, которую нужно затратить, чтобы вырвать из него один электрон. Исследованиями группы молодых сотрудников было выявлено, что в наноструктурном металле работа выхода значительно меньше, чем в том же металле в обычном крупнозернистом состоянии. Это способствует созданию новых источников электронов, энергоэффективных катодолюминисцентных ламп и аналогичных устройств, - резюмируют представители ИПСМ.
Металлы и сплавы – это не единственный вид материалов, используемых в технике. Современное материаловедение имеет дело с множеством из них. Уфимских исследователей интересуют композиты, имеющие две структурные составляющие – пластичную металлическую матрицу и твердый упрочняющий наполнитель, металлические стекла, сплавы, имеющие аморфную атомную структуру. Для изменения структуры и целенаправленного извлечения желаемых свойств материалов используется большой арсенал способов воздействия: деформационно-термическая обработка, мощные импульсы тока, ультразвуковая обработка.
- После присуждения нашим бывшим соотечественникам Андрею Гейму и Константину Новоселову Нобелевской премии по физике за создание уникального двумерного углеродного материала графена, стали активно изучаться все возможные типы углеродных наноматериалов, - продолжают сотрудники ИПСМ РАН. - С помощью методов компьютерного моделирования и мониторинга взаимодействия атомов у нас в институте анализируются изменения структуры при внешних воздействиях, деформационные, электронные, иные свойства этих материалов.
Так, исследуется взаимодействие водорода с материалами, «собранными» из различных модификаций углерода, например, с объемным, «состоящим» из скомканного графена (представьте себе ворох скомканных кусков бумаги в мусорной корзине). Возможно, эти эксперименты также приведут столичных ученых к революционному достижению, связанному с созданием материала в целях накопления и хранения водорода для одноименных двигателей.
Таков сегодня неполный перечень опытов и экспериментов в ИПСМ РАН. Благодаря сочетанию фундаментальных исследований и новейших технологических разработок, цитируемым публикациям в международных журналах, институт несколько лет назад вошел в число ведущих научных учреждений страны. ИПСМ обновляет научную инфраструктуру, приобретает качественное оборудование, владеет приборами, позволяющими проводить материаловедческие исследования на мировом уровне. Все эти достижения стали возможными благодаря неустанному творческому поиску высококвалифицированных специалистов.
Среди них - заместители директора института по научной работе Айрат Назаров и Ренат Имаев – ученые с мировым именем, имеющие опыт работы в ведущих зарубежных исследовательских центрах. Долгие годы являющийся заместителем директора по производству и инновационной деятельности, а ныне – советник руководителя по технологическим вопросам Вадим Трифонов, опытный специалист в области обработки металлов, разработал и внедрил не одну технологию. Лабораториями заведуют ведущий исследователь свойств титана при деформационно-термической обработке Рафаил Галеев, известный в мире специалист по интерметаллидным сплавам Валерий Имаев, знаток алюминиевых сплавов Михаил Маркушев, физик-теоретик с мировым именем Сергей Дмитриев, признанный специалист в области сверхпластичности и диффузионной сварки Рамиль Лутфуллин.
Им наступают на пятки молодые доктора наук Юлия Баимова и Елена Корзникова, недавно ставший заместителем директора по инновационной деятельности Руслан Хазгалиев. В институте много перспективных ученых, имеющих серьезную фундаментальную подготовку, талант изобретателя, опыт работы либо стажировки в международных центрах.
В последние годы здесь трудится все больше молодежи. ИПСМ РАН сотрудничает с ведущими вузами республики, имеет базовые кафедры в Башкирском государственном университете, Уфимском государственном авиационном техническом университете, Уфимском государственном нефтяном техническом университете. Специальные дисциплины там преподают сотрудники ИПСМ, плодотворно работающие в своих научных направлениях.
Студенты обучаются в хорошо оснащенных аудиториях института, уже с первых курсов могут заниматься здесь исследовательской работой, пользоваться высокотехнологичной аппаратурой, вместе с руководителями размещать научные статьи в популярных изданиях, в том числе в журнале «Письма о материалах». Он выпускается институтом и цитируется в лучших международных базах данных.
По окончании магистратуры юноши и девушки поступают в аспирантуру института по двум направлениям – физике и технологии материалов, защищают диссертации в действующем здесь диссертационном совете. Кроме базовой стипендии аспиранта или зарплаты, эффективно работающие молодые ученые получают дополнительные выплаты за счет участия в исследованиях по грантам, в том числе - молодежным. Средняя зарплата научных сотрудников и, в частности, молодых исследователей здесь высокая.
В конце августа 2019 года в Уфе прошло значимое научное мероприятие – XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Он стал важнейшим форумом в области механики, объединившим ведущих ученых: членов РАН, академий стран СНГ, докторов и кандидатов наук, а также начинающих научных сотрудников, аспирантов, студентов. В нем участвовали более полутора тысячи человек. При поддержке руководства Башкортостана и содействии профильных учреждений, вузов региона съезд стал масштабным научным и культурным событием.
Основная работа по его проведению была выполнена сотрудниками ИПСМ РАН. С этой задачей институт справился успешно: уровень организации съезда был признан Национальным комитетом по теоретической и прикладной механике самым высоким среди всех предыдущих за последние 60 лет.
По мнению директора института, члена-корреспондента РАН Радика Мулюкова, залогом успешной деятельности любого коллектива является его единство. Только слаженная командная работа помогает достигать высоких результатов и сохранять атмосферу взаимной поддержки и сотрудничества. Это позволяет уникальному уфимскому НИИ оставаться одним из ведущих в своей области и работать на мировом уровне.