Инженерия поверхности

Инженерия поверхности материалов является, наряду со сваркой и спецэлектрометаллургией, одним их трех главных научных направлений деятельности Института электросварки им. Е.О. Патона. Это направление включает любые способы термического, физического, химикотермического изменения свойств поверхностных слоев материала с целью придания им качественно новых функциональных характеристик — такими являются коррозионная стойкость, термостойкость, износостойкость, радиационная стойкость, биосовместимость и многие другие. Окончательно это направление оформилось в середине восьмидесятых, когда Борис Евгеньевич решил создать в Институте несколько специальных отделов, расширив тем самым исследовательские, проектные и технологические работы по созданию процессов и оборудования для газотермического напыления, вакуумных физических и химических методов нанесения покрытий, в дополнение к отделам дуговой наплавки, которой Институт занимался с 1950-х гг.

Задачей базового отдела по газотермическим покрытиям, который возглавил Ю.С. Борисов, было проведение работ, связанных с созданием материалов и технологий их нанесения методами газотермического напыления (электродуговым, газопламенным, плазменным, детонационным). По сути отдел осуществлял как разработку, так и координацию работ в области защитных и упрочняющих покрытий, дополняя деятельность ИЭС как головной организации в Национальной академии наук Украины и в России.

Основные направления изысканий в этой сфере заключались в разработке материалов и технологии нанесения газотермических покрытий с новыми типами структуры — аморфных, микрокристаллических, квазикристаллических; в создании методов повышения качества защитных покрытий за счет дополнительного вложения энергии в напыляемые частицы (в частности, путем реализации процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в их объеме) и применения термической и химико-термической обработки напыленного слоя. Развивалось направление новых комбинированных и гибридных методов нанесения покрытий и упрочнения поверхности — таких, как плазменно-детонационный, лазерно-плазменный и другие.

Процесс газотермического напыления покрытий с аморфизированной структурой, созданный в ИЭС, основан на фундаментальных теоретических разработках условий формирования аморфного состояния материалов на поверхности изделия. Это позволило выделить основные факторы, ответственные за аморфизацию, сформулировать требования к исходным материалам и оборудованию, определить параметры технологического процесса.

В результате появились новые материалы для аморфных покрытий серии АМОТЕК, включая порошки, порошковые проволоки и гибкие шнуры. Уровень свойств покрытий с аморфной структурой превышает в 1,5-3 раза свойства покрытий такого же состава, но в кристаллическом состоянии. Сочетание высокого сопротивления таких покрытий как износу, так и коррозии позволяет использовать их взамен гальванического хрома, что является важным с точки зрения экологии.

Оригинальным, не имеющим аналогов в мировой практике, является разработанный в ИЭС процесс микроплазменного нанесения покрытий с использованием ламинарной плазменной струи аргона и источника питания мощностью 1...2 кВт. Малый диаметр плазменного пятна позволяет формировать локальные зоны напыления диаметром 1...5 мм, что обеспечивает возможность прецизионного нанесения покрытий как из металлов и сплавов, так и из оксидов, имеющих температуру плавления 2050...2700 °С. Эта технология нашла успешное применение в медицине — при изготовлении эндопротезов с биокерамическим покрытием.

В 1988-2001 гг. создан принципиально новый процесс — упрочнение поверхности методом плазменно-детонационной обработки. Сущность этого процесса состоит в преобразовании детонационной волны в импульсную струю плазмы с температурой (25...30)*10в3 К и скоростью 5...8 км/с. В результате плазменно-детонационной обработки поверхности на ней формируется слой толщиной до 100 мкм при твердости 10...20 ГПа, что обеспечивает повышение стойкости изделия против износа в 2-5 раз. Для управления процессами создана оригинальная компьютерная модель процесса плазменного напыления с программным обеспечением, что позволило расширить область познания процессов, протекающих в плазме.

Разрабатываются новые виды оборудования для газотермического напыления. Так, созданы установка сверхзвукового воздушно-газового плазменного напыления «Киев-С» (совместно с Институтом газа АН Украины); установки микроплазменного напыления МПН-001, МПН-003, МПН-004; серия установок детонационного напыления — «Перун-С», «Перун-Р», «Перун-М» (совместное Институтом сверхтвердых материалов АН Украины).

С использованием метода сверхзвукового детонационного напыления и установок «Киев-С» и «Перун» были разработаны технологии нанесения покрытий с квазикристаллической и аппроксимантной структурой. Специальные керамические и комбинированные металлокерамические покрытия имеют очень низкую теплопроводность, что открыло перспективу нанесения нового класса теплозащищенных узлов энергетических установок.

Новая технология микроплазменного напыления биокерамических покрытий позволяет формировать слои с заданным фазовым составом и текстурой, что позволяет управлять процессом ресорбции (растворения) материала покрытия в организме человека после установки эндопротеза. Оригинальной и эффективной является другая технология — микроплаз-менное распыление, обеспечивающее формирование титановых покрытий с управляемой мультимодельной пористостью. Клинические испытания показали высокую прочность соединения эндопротеза с костью при применении таких покрытий.

Технология детонационного напыления износостойких покрытий из карбидов и оксидов нашла широкое применение при организации специализированных участков газотермического напыления в Украине, России и других странах. Стойкость деталей и изделий с детонационными покрытиями возрастает в 2-10 раз.

В ИЭС создана оригинальная технология получения износостойких покрытий из карбидов ванадия и хрома в расплавах солей, предназначенная для упрочнения режущего, гибочного, вытяжного и прессоштампового инструмента, обеспечивая повышение его стойкости до 50 раз. Разработанная технология защищена авторскими свидетельствами и патентами Украины.

Эти процессы позволяют нанести покрытия с наноразмерной структурой. Использование газотермического и магнетронного напыления, гибридных методов лазерно-плазменного напыления с объединением процесса нанесения покрытий и процесса синтеза в газовой фазе позволяет получать широкий спектр материалов покрытий с управляемой размерностью структурных составляющих, в том числе алмазные и алмазоподобные покрытия без использования вакуума.

Развивается направление нанесения покрытий медицинского назначения, в частности покрытий, используемых для стентов из циркония и его сплавов, которые отличатся повышенной биосовместимостью и активным взаимодействием с живой тканью.

Под руководством Бориса Евгеньевича были исследованы многие физико-химические закономерности электронно-лучевого испарения и конденсации металлических и неметаллических материалов в вакууме. Эти работы, которые получили мировой приоритет, возглавил Б.А. Мовчан. Разработаны новые материалы и покрытия, промышленные технологии и соответствующее оборудование, производство которого освоено Опытным заводом Института электросварки.

Уже первые эксперименты показали металлургическую и технологическую эффективность данного источника энергии и возможность его промышленного применения в других способах обработки материалов — в первую очередь для плавления и рафинирования металлических материалов с целью улучшения их свойств, в том числе свариваемости, а также для испарения материалов и получения различных покрытий.

Своеобразным толчком к применению окончательного решения Борисом Евгеньевичем Патоном о развитии этих направлений в ИЭС стала его встреча с Сергеем Павловичем Королевым.

По воспоминаниям М.Г. Глазунова, сотрудника конструкторского бюро С.П. Королева, в книге «С.П. Королев — ученый, инженер, человек», в начале 1960-х гг. состоялось личное знакомство Сергея Павловича с Борисом Евгеньевичем, в организации которого он принимал участие. «В один из зимних вечеров Борис Евгеньевич приехал на предприятие, и мы, группа сотрудников, встретив академика в проходной, направились в кабинет Главного Конструктора». В день знакомства с Главным Конструктором на совещании, а затем в узком кругу проектантов были затронуты многие задачи, требующие первоочередных решений: сварка больших емкостей для топлива и сварка в космосе, ремонтные работы в космосе, нанесение защитных покрытий на детали космических аппаратов, получение особочистого ниобия для жидкометаллического контура и др.

Эти, а также последующие задачи, поставленные С.П. Королевым перед ИЭС им. Е.О. Патона, предприятиями Министерства авиационной промышленности России (Главными конструкторами академиками Н.Д. Кузнецовым и А.М. Люлькой), определили дальнейшее развитие электронно-лучевых технологий в Институте электросварки.

Борис Евгеньевич выступил в качестве организатора и научного руководителя при создании новых направлений электронно-лучевых технологий получения и обработки неорганических материалов для аэрокосмической техники и специального машиностроения.

Практически одновременно осуществлялись исследования и разработки технологических процессов, а также оборудования для электронно-лучевой плавки и рафинирования тугоплавких металлов, жаропрочных сплавов на основе никеля и электронно-лучевого испарения неорганических материалов в вакууме, осаждения защитных покрытий на детали, работающие в условиях экстремально высоких температур.

В 1965 г. было начато первое промышленное производство особо чистого ниобия и тантала на Химико-металлургическом комбинате треста «Донбассцветмет», в 1970 г. — производство рафинированных никелевых сплавов для авиационных двигателей на заводе «Электросталь» в Московской области. Несколько позже было организовано производство циркония и гафния на Химико-металлургическом заводе в г. Днепродзержинск.

Одновременно с решением металлургических задач успешно осуществлялись исследования и разработки защитных металлических, а затем керамических покрытий для газотурбинных двигателей различного назначения (авиационных, судовых, электро- и газоперекачивающих станций). Электронно-лучевые защитные покрытия позволяют во много раз повышать эксплуатационные ресурсы многих изделий, в первую очередь лопаток газовых турбин.

В 1985 г. на заводах Минавиапрома, Минсудпрома и Мингазпрома работали 15 электронно-лучевых установок для осаждения защитных покрытий на лопатки газовых турбин в городах Лыткарино (Московская область), Куйбышев, Николаев (Украина), Камышин, Рыбинск.

В процессе исследований и разработки защитных покрытий был накоплен большой объем экспериментальных данных, позволивший создать научные основы парофазной технологии получения новых неорганических материалов и покрытий. Работы ИЭС по этому направлению были удостоены высокой правительственной награды — Ленинской премии.

С целью расширения сотрудничества Института электросварки с зарубежными организациями по инициативе Бориса Евгеньевича в 1994 г. был создан Международный центр электронно-лучевых технологий.

Деятельность центра направлена на дальнейшее расширение возможностей технологии электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме, в первую очередь для получения неорганических материалов с регулируемой аморфной и наноструктурой.

Введение в паровой поток активных газов или соответствующих добавок активных металлов позволило расширить гамму структур конденсированных материалов и покрытий (многофазных, слоистых, пористых, градиентных). Сформировалось новое технологическое комплексное направление «Электронно-лучевая гибридная нанотехнология неорганических материалов». Это — различные защитные и конструкционные покрытия, специальные фольги, магнитные жидкости, структурные элементы твердооксидных топливных элементов и каталитических устройств, фильтры, мембраны и др.

Электронно-лучевая гибридная нанотехнология способна заполнить нишу между «тонкопленочными» и традиционными технологиями изготовления материалов и изделий. Главная особенность новой технологии — осуществление твердотельного синтеза заранее заданной последовательности структур, вся совокупность которых представит новое изделие. Подобно «тонкопленочной» технологии, для многих вариантов изделий станет возможным отказ от традиционных этапов производства: первоначального изготовления полуфабрикатов, например тонких порошков, дальнейшей их обработки и изготовления отдельных частей и, наконец, соединения в готовое изделие.