Работа в одном из исследовательских институтов России⁠⁠

По традиции коротко о себе: работаю в Технологическом институте Карлсруэ, в области материаловедения. Предыдущие посты про науку: 1. Российская и немецкая наука с моей точки зрения, 2. Немецкая и российская наука с моей точки зрения (Дополнение).

Сегодня я постараюсь как можно проще рассказать о том, чем я занимался (и продолжаю заниматься) в одном из исследовательских институтов РАН. Резерфорду приписывают слова о том, что если учёный не может объяснить уборщице, которая убирается у него в лаборатории, смысл своей работы, то он сам не понимает, что он делает. Надеюсь, я понимаю, чем занимаюсь, и постараюсь доступно рассказать о своей работе.

В отличии от математики или чистой физики в материаловедении процесс изучения ведется, как правило, группой ученых. Постановка цели и задач исследования, выдвижение новых идей, гипотез, а также предварительное моделирование представляют важную часть работы. Но материаловедение - наука материальная, я бы сказал, основа научного материализма. Практическое исследование или эксперимент являются главными критериями истины, как это считали Гегель, затем Маркс и Ленин. Именно проведение эксперимента в материаловедении занимает большую часть времени и требует максимальных усилий. Многое приходится делать руками, некоторые разрабатывают собственную методику, изготавливают новое экспериментальное оборудование.

Лично я в исследовательском институте РАН занимался и занимаюсь изучением большого круга различных материалов. Я занимаюсь плавкой и изготовлением исходного материала, провожу деформационную и термическую обработку, занимаюсь микроструктурными исследованиями и изучением механических свойств. Большая часть моих работ посвящена сплавам и композитам на основе титана.

Почему титан? Титановые сплавы обладает высокой удельной прочностью. При температурах 200-550°С они по этому параметру опережают все металлы и сплавы. Что это значит? На самом деле прочность титановых сплавов совсем не рекордная. Грубо говоря, один квадратный миллиметр распространенного титанового сплава при растяжении выдерживает вес в 100 кг. Высокопрочные стали могут выдержать и 250 кг, тогда как обычная строительная сталь чуть больше 40 кг. Но благодаря низкой плотности (4,5 г/см3) титан выигрывает по удельной прочности. Именно этот параметр наиболее важен при снижении веса техники для специального применения, например, в авиации, спорте, ракетостроении.

Какие проблемы существуют в отношении титановых сплавов? Несмотря на высокую температуру плавления (около 1700°С) максимальная температура эксплуатации титановых сплавов составляет всего 550-600°С. Это очень мало. Например, никелевые сплавы плавятся при 1400-1500°С, а эксплуатироваться могут вплоть до 1100-1200°С. Высокая жаропрочность необходима в первую очередь при изготовлении деталей двигателя. Чем выше температура внутри любого двигателя, тем выше мощность и КПД. Резонный вопрос, почему бы не заменить весь титан никелем, если жаропрочность у него выше? Дело в том, что плотность никелевых сплавов составляет 8,5-9 г/см3. Полностью никелевый двигатель получится тяжелым, низкооборотистым и маломощным (что и было на заре двигателестроения). Чем выше обороты, тем большую нагрузку испытывают вращающиеся детали, тем более выгодным становится использование материалов с высокой удельной прочностью. В современных самолетах доля титана по массе составляет 14-20%, в военных до 40%.

Вторая важная проблема титановых сплавов - это их стоимость. Себестоимость одного килограмма титана в 50 раз выше, чем черной стали. К примеру, алюминий дороже стали в 4-5 раза, медь в 16, нержавеющая сталь в 10-11. Понятно, что при такой цене титан может использоваться только там, где он незаменим. Если бы удалось снизить стоимость титановых сплавов, использование этого металла стало бы возможным и в других областях.

В чем суть наших исследований? Разными путями мы пытаемся поднять жаропрочность, а значит и температуру эксплуатации жаропрочных титановых сплавов. Как это можно сделать? К сожалению, термическая и деформационная обработка для этого не подходят, т.к. при высоких температурах такое упрочнение не сохраняется. Можно несколько поиграться с химическим составом, однако это направление по большей части исчерпано, т.к. основные принципы легирования титана были обозначены еще в 70-х гг. Получается, что нет более другого способа повышения жаропрочности титанового сплава, кроме создания на основе титана композитов, упрочненных более жаропрочными материалами.

Чем можно упрочнить композит на основе титана? Желательно более прочными и жаропрочными соединениями, имеющими хорошую совместимость с титаном. Из всех известных материалов более всего для упрочнения подходят волокна моноборида титана, который к тому же может образовываться внутри титанового сплава (путем введения бора) при его изготовлении. По разным оценкам прочность волокна составляет 800 кг на квадратный миллиметр (т.е. в 8 раз больше, чем у распространенного титанового сплава). Еще одно достоинство моноборида титана в том, что с титаном он образует очень прочную связь, что предотвращает его вырывание из композита. На фото хаотично направленные иголки - это и есть волокна моноборида титана TiB.

Какова основная цель нашей работы? Мы пытаемся создать такой композит на основе титана и моноборида титана, который по жаропрочности и балансу свойств существенно превосходил бы промышленные титановые сплавы. В таком случае такие композиты смогли бы частично заменить сталь и никелевые сплавы при изготовлении деталей газотурбинного двигателя.

Чем я непосредственно занимаюсь? Наглядно по картинкам постараюсь объяснить. Я изготавливаю композиты на основе разных промышленных титановых сплавов (ВТ1-0, ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ20Л, ВТ22, ВТ25У, Ортосплав), упрочненных различным количеством волокон TiB. Для этого готовлю исходный материал:

Плавлю в камере печи аргонно-дуговой плавки:

Получаю примерно такие слитки:

Поскольку в литом состоянии свойства титановых сплавов и композитов невысоки, далее мы проводим различную деформационную обработку слитков композитов на гидравлическом прессе. Получаем, например, такие заготовки:

Провожу термическую обработку, необходимую для получения оптимального баланса прочности и пластичности. Здесь происходит охлаждение на воздухе после 1050°С:

Далее заготовки разрезаем на микроструктурные исследования или механические испытания. На фото вырезаются плоские образцы для растяжения:

Внешний вид образцов для проведения различных механических испытаний: растяжение, длительная прочность, усталостные испытания, ударная вязкость.

Каковы наши результаты? Исследования еще не закончены, но грубо говоря, жаропрочность удается повысить на 25-50°С. На самом деле это не мало, учитывая, что режимы обработки еще не оптимизированы. Прочностные свойства возрастают на 20-50%, пластичность удается сохранить выше 3-5%. Такую структура композита получаем после нашей деформационной и термической обработки. Видно, что волокна TiB удалось переориентировать вдоль одного направления:

Каковы перспективы, кому все это может понадобиться? К сожалению, это больной вопрос в российской науке. Если бы заводы и промышленность работали в полную силу, то наши разработки были бы востребованными. Меня утешают, что мы не виноваты в сложившейся ситуации и повлиять на это никак не можем. Наши идеи, решения скорее полезны для всей науки в целом, и может быть, в будущем еще найдут применение. Далее планирую рассказать, что я изучаю в Германии.