Сплав со структурой лотоса
С момента регистрации поистине эпохального открытия днепропетровских ученых прошла четверть века. Однако масштабные работы по дальнейшим исследованиям и внедрению газаров сегодня в нашей стране не ведутся.
Водород — самый распространенный и жизненно важный элемент во Вселенной, благодаря которому светят звезды, образуются белковые молекулы и цепочки ДНК, плещутся реки и океаны. Но вот с металлами у газа под номером один отношения весьма напряженные. Всем металлургам известны такие дефекты проката, как водородные флокены, поры и включения, а также газовая хрупкость. Поэтому удаление водорода в черной и цветной металлургии много десятилетий было главной задачей сталеваров, прокатчиков, термистов и металловедов. А потом пришло время создания нового вида обработки металлов давлением — бесконтактной прокатки. Так вредный газ стал полезен металлургам. Затем появились газары. Те, что с порами, как в сыре.
Водород и сталь: несовместимое возможно
Систематические НИОКР в «водородном направлении со знаком плюс» начались в СССР в 1970 году на кафедре металловедения ДМетИ (ныне Национальная металлургическая академия Украины, НМетАУ, Днепропетровск). Сначала там создали уникальное оборудование для изучения взаимодействия в системах Н—Ме при высоких температурах и давлениях. Именно тогда впервые была построена наиболее важная диаграмма системы Fe—H.
А затем молодой доцент Владимир Шаповалов выдвинул необычную гипотезу: водород — всегда вредная примесь в металлах — может благоприятно влиять на свойства сплавов. Он может стать уникальным легирующим элементом, ведущим к созданию принципиально новых фаз и структурных состояний. Вдохновил его и поддержал в разработке этой новой идеи выдающийся металловед современности, член-корреспондент АН УССР профессор К.П.Бунин.
Разрабатывая эту тематику, молодой исследователь обнаружил целый ряд важных эффектов в системах Ме—Н, что позволило говорить о создании совершенно нового научного направления — материаловедения систем «газ—металл». Владимир Шаповалов, ныне профессор Materials and Electrochemical Research (MER) Corporation (США), вспоминает о том, как все начиналось: «Первый эксперимент по влиянию водорода на пластическую деформацию стали имел лихо закрученный сюжет. Без видимых причин металл вдруг начинал течь: его образец вырос в длину в 1,5 раза, а плотность материала в то же время все увеличивалась».
Это действительно было открытием, и оно стало первым в 75-летней истории Днепропетровского металлургического. В 1985 году оно зарегистрировано Госкомизобретений СССР и внесено в Госреестр под №313 как открытие в области металловедения и физики металлов. Авторы — доценты В.И.Шаповалов и В.Ю.Карпов.
Первые научные результаты позволили создать основы совершенно необычной технологии деформации металлов без внешнего механического воздействия, с использованием закономерно регулируемого теплового поля. Это стало базой для новой технологии дегазации сталей, внедренной со значительным экономическим эффектом при выпуске железнодорожных колес на Нижнеднепровском трубопрокатном, а также на крупнейших ракетных заводах Украины и России.
Кстати, перед развалом СССР днепропетровские ученые-металлурги серьезно прорабатывали вопрос о коренной перестройке самого процесса выпуска колес: осадка и формовка колесной заготовки в водородной среде без этапов прессования.
— Научные результаты нашего СКТБ «Сплав» позволили создать новые естественные композиционные материалы с сотовой структурой — газары, пенометаллы нового типа, в которых газовая фаза оказалась армирующим наполнителем, повышающим удельную прочность, — оценивает события 25-летней давности с высоты дня сегодняшнего Владимир Юрьевич Карпов, ныне профессор НМетАУ доктор технических наук. — Им присущи «эксклюзивные» свойства, дающие крупную фору другим известным пористым материалам: высокая прочность и жесткость; возможность получения как герметичного, так и негерметичного материала; разнообразная форма и ориентация пор в изделии, широкий диапазон их диаметров; зеркальная чистота поверхности пор; хорошая свариваемость и спаиваемость; отличная обрабатываемость резанием, давлением; относительно невысокая стоимость; сравнительно простая технология производства; возможность чередования пористых и монолитных слоев; образование на поверхности монолитного изделия пористого слоя с сотовой структурой.
На расчетную орбиту
Оригинальные авторские свидетельства из ДМетИ сразу получили «секретно-закрытый» статус: первые промышленные газары стали широко использоваться в ВПК, особенно в ракетной отрасли. Их получали на двух больших и трех малых газарных установках совместного производства СКТБ «Сплав» и лидера ВПК СССР «Днепромаша». Потом смонтировали еще четыре установки: две на «Южмаше», по одной в НПО «Энергия» и в НИИ теплотехники в Москве.
С 1995 года, после переезда профессора Шаповалова в США, технология стала активно развиваться в национальной лаборатории «Сандия» (Туксон, штат Аризона) и Исследовательской лаборатории ВМФ (штат Вашингтон). Основная задача, решаемая с помощью агрегатов конструкции днепропетровских ученых, — разработка промышленных процессов получения газаров для крупнейших авиационно-космических корпораций «Нортроп Грумман», «Локхид Мартин» и «Боинг». Так, на установке в г. Туксоне удалось получить структуру газарита в стратегически важном сплаве «инконель 718», который применяется в аэрокосмических аппаратах — ранее в «шаттлах», а теперь в современных МКС и баллистических ракетах.
Принципиально новую мощную газарную установку построили в MER-Corporation в 2004—2005 годах под руководством нашего земляка. В штате Мэриленд сейчас тоже есть инновационный агрегат для производства пористых металлов. Кроме того, еще в 1996 году ученые из Днепропетровска сконструировали установку для Осакского университета в Японии, а также помогли японским коллегам изготовить ее на местных фирмах и начать программу по выпуску новых материалов. Правда, шеф этой программы в Стране восходящего солнца профессор Хидэки Накаджима решил назвать газары поэтично: «пористые материалы со структурой лотоса», чем немало удивил авторов открытия.
Газары сегодня: кому, где, когда?
Творение умов и рук днепропетровских металловедов необходимо для дальнейшего ускоренного развития постиндустриального общества ХХІ века, создания новейшей техники с особыми требованиями к качеству и надежности.
— Владимир Юрьевич, с момента открытия прошло четверть века. Какое развитие получило данное направление в наши дни?
— Сегодня наша академия располагает полностью освоенной промышленной технологией получения газаров из сплавов алюминия для автопрома, — говорит В.Карпов. — Эти газары на 30% легче монолитного аналога при практически одинаковой прочности и коррозионной стойкости. Кроме того, имеют более низкую теплопроводность и коэффициент термического расширения, что положительно сказывается на условиях сгорания топлива. Газары в поршнях ДВС увеличивают их КПД и ресурс работы, уменьшают токсичность выбросов и расход топлива при одинаковой мощности, снижают шум и вибрации при работе, то есть повышают мощность ДВС без увеличения его объема.
— Появились ли у вас приверженцы и последователи?
— Да, вместе с коллегами из Кировоградского национального технического университета А.Высоцким, А.Скрипником и В.Пукаловым мы начали разработку нового направления модернизации поршневых моторов для повышения их экологических и мощностных параметров — проекта «дизотто». Его суть — в конструктивном объединении в одном ДВС дизеля и бензинового двигателя прямого впрыскивания. В смешанном цикле расход топлива для двухлитрового гибрида «дизель—бензин» составляет 6,5 л/100 км, достигается очень низкий уровень выбросов окислов азота и СО, а сам мотор развивает почти дизельный крутящий момент. В настоящее время для этого в ДВС используют очень сложные форсунки с низкой надежностью и моторесурсом, но данную проблему решает применение газара для их распыливателей.
Дело в том, что криволинейные газарные капилляры сопла форсунки оптимально диспергируют и фокусируют облако топлива в зависимости от режима работы двигателя. Газары могут быть получены из ряда металлов, сплавов (в том числе теплостойких) и керамики, что делает эти изделия перспективными для применения в новых вариантах ДВС «дизотто». Размерная обработка газарного распыливателя может проводиться по ряду технологий, например электроэрозионной шлифовкой. В целом технология, предлагаемая нами, является конкурентоспособной в условиях массового производства.
Хочется верить, что предприятиям отечественного автопрома пригодятся новые предложения наших ученых по применению газаров. Но поводов для оптимизма мало. Во время своего краткого делового визита на родину в июне 2011 года Владимир Иванович Шаповалов с грустью сказал автору статьи: «Перспективы масштабного развития работ по газарам в Украине весьма неоднозначны, хотя имеются две вроде бы действующие научные программы под эгидой НАНУ и МОНУ. Перманентные экономические и политические кризисы в нашей стране не позволяют пока развернуть в полной мере работы по этому направлению, где уже изначально есть замечательные научные и практические заделы и результаты. Инвестировать же в эти новации наши предприятия не желают из-за высоких и разноуровневых политических, финансовых и экономических рисков. Каждому грамотному человеку ясно: высоконаучные, в их числе и водородные, технологии требуют значительных первоначальных вложений. Поэтому будущий прогресс в их развитии связан в первую очередь с Японией, США, ФРГ. Время, разумеется, покажет, но именно в этих государствах путь и сроки от научных опытов к коммерциализации являются кратчайшими».
Техпроцесс
Пенометалл — металл или сплав ячеистого строения, состоящий из тонких металлических оболочек, заполненных газом. Для его получения в расплавленный металл вводят гидриды титана, циркония и других элементов. Выделяющийся при распаде гидрида водород вспенивает металл; образовавшаяся ячеистая структура фиксируется быстрым охлаждением. Свойства зависят от количества поглощенного газа и качеств исходного металлического материала. Известны пенометаллы на основе алюминия, магния и других металлов. Газары-пенометаллы применяют как наполнители для обеспечения жесткости конструкции, а также как теплоизолирующие материалы.
Владимир Карпов
Профессор кафедры металловедения НМетАУ, доктор технических наук, соавтор открытия №313. Преподает на кафедре металловедения с 2003 года. Научная деятельность сосредоточена на изучении влияния водорода на свойства металлов и сплавов, исследовании свойств газаров, развитии теории их образования, разработке и прогнозировании методов изготовления. Практическая сторона НИОКР относится к созданию различных фильтров для технических масел, подшипников скольжения, легких конструкционных материалов. Также изучает способы борьбы с вредным влиянием водорода на металлы и сплавы при их производстве и эксплуатации.
Владимир Шаповалов
В 1969 году окончил ДМетИ с красным дипломом. Свыше 25 лет работал в институте — ассистент, доцент, профессор. В 1980-м защитил докторскую диссертацию по теме «Взаимодействие водорода как легирующего элемента с железоуглеродистыми сплавами, железом и некоторыми его аналогами». С 1986-го — научный руководитель созданного им СКТБ «Сплав» при МОНУ. Научный актив: более 500 научных работ, 2 монографии, 3 учебных пособия, около 250 авторских свидетельств и патентов. В 1994 году удостоен медали Ярослава Мудрого за успехи в науке и педагогике. Сейчас — главный ученый-металловед Materials and Electrochemical Research Corporation (США).
