Сплав зі структурою лотоса

Із моменту реєстрації дійсно епохального відкриття дніпропетровських учених минула чверть століття. Однак масштабні роботи з подальших досліджень та впровадження газарів сьогодні в нашій країні не ведуться.

Водень — найпоширеніший і життєво важливий елемент у Всесвіті, завдяки якому світять зірки, утворюються білкові­ молекули й ланцюжки ДНК, течуть ріки й океани. А от з  металами в газу під номером один стосунки досить напружені. Усім металургам відомі такі дефекти прокату, як водневі флокени, пори й вкраплення, а також газова крихкість. Тому видалення водню в чорній і кольоровій металургії багато десятиліть було головним завданням сталеварів, прокатників, термістів і металознавців. А потім настав час для створення нового виду обробки металів тиском — безконтактної прокатки. Так шкідливий газ став у пригоді металургам. Потім з’явилися газари. Ті, що з порами, як у сирі.

Водень і сталь: несумісне можливе

Систематичні НДДКР у «водневому напрямку зі знаком плюс» почалися в СРСР в 1970 році на кафедрі металознавства ДМетІ (нині Національна металургійна академія України, НМетАУ, Дніпропет­ровськ). Спочатку там створили унікальне обладнання для вивчення взаємодії в системах Н—Ме за високих температур і тиску. Саме тоді вперше було побудовано найважливішу діаграму системи Fe—H.

А потім молодий доцент Володимир Шаповалов висунув незвичайну гіпотезу: водень — завжди шкідлива домішка в металах — може сприятливо позначатися на властивостях сплавів. Він може стати унікальним легувальним елементом, що веде до створення принципово нових фаз і структурних станів. Надихнув його й підтримав у розробці цієї нової ідеї видатний металознавець сучасності, член-кореспондент АН УРСР професор К.П.Бунін.

Розробляючи цю тематику, молодий дослідник виявив декілька важливих ефектів у системах Ме—Н, що дозволило говорити про створення цілком нового наукового напряму — матеріалознавства систем «газ—метал». Володимир Шаповалов, нині професор Materials and Electrochemical Research (MER) Corporation (США), згадує про те, як усе починалося: «Перший експеримент із впливу водню на пластичну деформацію сталі мав непередбачений сюжет. Без жодних причин метал раптом починав текти: його зразок виріс у довжину в 1,5 раза, а густина матеріалу водночас дедалі збільшувалася».

Це дійсно було відкриттям, і воно стало першим в 75-літній історії Дніпропет­ровського металургійного. 1985 року його зареєстровано Держкомвинаходів СРСР і внесено в Держреєстр під №313 як відкриття в галузі металознавства й фізики металів. Автори — доценти В.І.Шаповалов і В.Ю.Карпов.

Перші наукові результати дозволили створити основи незвичайної технології деформації металів без зовнішнього механічного впливу, із використанням закономірно регульованого теплового поля. Це стало базою для нової технології дегазації сталей, упровадженої зі значним економічним ефектом при випуску залізничних коліс на Нижньодніпровському трубопрокатному, а також на найбільших ракетних заводах України й Росії. До речі, перед розвалом СРСР дніпропетровські вчені-металурги серйозно опрацьовували питання про докорінну перебудову самого процесу випуску коліс: осадка й формування колісної заготівки у водневому середовищі без етапів пресування.

— Наукові результати з нашого СКТБ «Сплав» дозволили створити нові природні композиційні матеріали зі стільниковою структурою — газари, пінометали нового типу, у яких газова фаза виявилася армувальним наповнювачем, що підвищує питому міцність, — оцінює події 25-літньої давнини з позицій сьогодення Володимир Юрійович Карпов, нині професор НМетАУ, доктор технічних наук. — Вони мають «ексклюзивні» властивості, що дають велику фору іншим відомим пористим матеріалам: висока міцність і твердість; можливість одержання як герметичного, так і негерметичного матеріалу; різноманітна форма й орієнтація пор у виробі, широкий діапазон їхніх діаметрів; дзеркальна чистота поверхні пор; добра зварюваність і спаюваність; чудова оброблюваність різанням, тиском; порівняно невисока вартість; порівняно проста технологія виробництва; можливість чергування пористих і монолітних шарів; утворення на поверхні монолітного виробу пористого шару зі стільниковою структурою.

На розрахункову орбіту

Оригінальні авторські свідоцтва із ДМетІ відразу набули «секретно-закритого» статусу: перші промислові газари почали широко використовувати у ВПК, особливо в ракетній галузі. Їх виробляли на двох великих і трьох малих газарних установках спільного виробництва СКТБ «Сплав» і лідера ВПК СРСР «Дніпромашу». Потім змонтували ще чотири установки: дві на «Південмаші», по одній у НВО «Енергія» і в НДІ теплотехніки в Москві.

Із 1995 року, після переїзду професора Шаповалова в США, технологія почала активно розвиватися в національній лабораторії «Сандія» (Туксон, штат Арізона) і Дослідній лабораторії ВМФ (штат Вашингтон). Основне завдання, розв’язуване за допомогою агрегатів конструкції дніпропетровських учених, — розробка промислових процесів одержання газарів для найбільших авіаційно-космічних корпорацій «Нортроп Грумман», «Локхід Мартін» і «Боїнг». Так, на установці в м. Туксоні вдалося одержати структуру газариту у стратегічно важливому сплаві «інконель 718», що застосовується в аерокосмічних апаратах — раніше в «шатлах», а тепер у сучасних МКС і балістичних ракетах.

Принципово нову потужну газарну установку побудували в MER-Corporation у 2004—2005 роках під керівництвом нашого земляка. У штаті Меріленд зараз теж є інноваційний агрегат для виробництва пористих металів. Крім того, ще в 1996 році вчені із Дніпропетровська сконструювали установку для університету в Осаці, а також допомогли японським колегам виготовити її на місцевих фірмах і почати програму з випуску нових матеріалів. Правда, шеф цієї програми в Японії професор Хідекі Накаджима вирішив назвати газари поетично: «ніздрюваті матеріали зі структурою лотоса», чим дуже здивував авторів відкриття.

Газари сьогодні: кому, де, коли?

Творіння умів і рук дніпропетровських металознавців необхідне для подальшого прискореного розвитку постіндустріального суспільства ХХІ століття, створення новітньої техніки з особливими вимогами з якості та надійності.

— Володимире Юрійовичу, із часу відкриття минула чверть століття. Який розвиток дістав цей напрям у наші дні?

— Сьогодні наша академія має у своєму розпорядженні освоєну промислову технологію одержання газарів зі сплавів алюмінію для автопрому, — говорить В.Карпов. — Ці газари на 30% легше монолітного аналога за майже однакової міцності та корозійної стійкості. Крім того, мають нижчу теплопровідність і коефіцієнт термічного розширення, що позитивно позначається на умовах згоряння палива. Газари в поршнях ДВЗ збільшують їх ККД і ресурс роботи, зменшують токсичність викидів і витрату палива за однакової потужності, знижують шум і вібрацію під час роботи, тобто підвищують потужність ДВЗ без збільшення його обсягу.

— Чи з’явилися у вас прихильники й послідовники?

— Так, разом із колегами з Кіровоградського національного технічного університету А.Висоцьким, О.Скрипником і  В.Пукало­вим ми почали розробку одного з нових напрямів модернізації поршневих моторів для підвищення їх екологічних і потужнісних параметрів — проекту «дізотто». Його суть — у конструктивному об’єднанні в одному ДВЗ дизеля й бензинового двигуна прямого упорскування. У змішаному циклі витрата палива для дволітрового гібрида «дизель-бензин» становить 6,5 л/100 км, досягається дуже низький рівень викидів окислів азоту й СО, а сам мотор розвиває майже дизельний крутний момент. Зараз для цього у ДВЗ використовують дуже складні форсунки з низькою надійністю й моторесурсом, але цю проблему розв’язує застосування газара для їх розпилювачів.

Річ у тім, що криволінійні газарні капіляри сопла форсунки оптимально диспергують і фокусують хмару палива залежно від режиму роботи двигуна. Газари можуть бути отримані з багатьох металів і сплавів (у тому числі теплостійких) і кераміки, що робить ці вироби перспективними для застосування в нових варіантах ДВЗ «дізотто». Розмірна обробка газарного розпилювача може проводитися з різних технологій, наприклад електроерозійним шліфуванням. У цілому технологія, пропонована нами, є конкурентоспроможною в умовах масового виробництва.

Хочеться вірити, що підприємствам вітчизняного автопрому стануть у пригоді нові пропозиції наших учених із застосування газарів. Але приводів для оптимізму мало. Під час свого короткого ділового візиту на батьківщину в червні 2011 року Володимир Іванович Шаповалов зі смутком сказав авторові статті: «Перспективи масштабного розвитку робіт із газарами в Україні досить неоднозначні, хоча є дві начебто діючі наукові програми під егідою НАНУ й МОНУ. Перманентні економічні й політичні кризи в нашій країні не дозволяють поки розгорнути повною мірою роботи із цього напрямку, де вже є чудові наукові й практичні заділи й результати. Інвестувати ж у ці новації наші підприємства не хочуть через високі й різнорівневі політичні, фінансові та економічні ризики. Кожній грамотній людині зрозуміло: високонаукові, у тому числі й водневі, технології вимагають значних первісних вкладень. Тому майбутній прогрес у їхньому розвитку пов’язаний найперше з Японією, США, ФРН. Час, зрозуміло, покаже, але саме в цих державах шлях і строки від наукових експериментів до комерціалізації є найкоротшими».

Техпроцес

Пінометал — метал або сплав пористої будови, що складається з тонких металевих оболонок, заповнених газом. Для його одержання в розплавлений метал уводять гідриди титану, цирконію та інших елементів. Водень, що виділяється при розпаді гідриду, спінює метал; утворена­­ пориста структура фіксується швидким охолодженням. Властивості залежать від кількості поглиненого газу і особ­ливостей вихідного металевого матеріалу. Відомі  пінометали на основі алюмінію, магнію та інших металів. Газари-пінометали застосовують як наповнювачі для забезпечення жорсткості конструкції, а також як тепло­ізолювальні матеріали.

Володимир Карпов

Професор кафедри металознавства НМетАУ, доктор технічних наук, спів­автор відкриття №313.  Викладає на кафедрі металознавства з 2003 року. Наукова діяльність зосереджена на вивченні впливу водню на властивості металів і сплавів, дослідженні властивостей газарів, розвитку теорії їхнього утворення, розробці та прогнозуванні методів виготовлення. Практична частина  НДДКР полягає у створенні фільтрів для технічних мастил, підшипників ковзання, легких конструкційних матеріалів. Також вивчає способи боротьби зі шкідливим впливом водню на метали й сплави під час їхнього виробництва й експлуатації.

Володимир Шаповалов

1969 року закінчив ДМетІ із червоним дипломом. Понад 25 років — асистент, доцент, професор інституту. У 1980-му захистив докторську дисертацію з теми «Взаємодія водню як легувального елемента із залізовуглецевими сплавами, залізом і деякими його аналогами». Із 1986-го — науковий керівник створеного ним СКТБ «Сплав» при МОНУ. Науковий актив: понад 500 наукових праць, 2 монографії, 3 навчальні посібники, близько 250 авторських свідоцтв і патентів. 1994 року нагороджений медаллю Ярослава Мудрого за успіхи в науці та педагогіці. Зараз — головний учений-металознавець Materials and Electrochemical Research Corporation (США).