Аморфный переворот

Ученые Института химии твердого тела (ИХТТ, Екатеринбург) УрО РАН разработали порошки с износостойкостью выше, чем у любого другого покрытия. Новизна идеи заключается в получении особой аморфно-кристаллической структуры порошка: сердцевина его зерен может иметь кристаллическую решетку, а оболочка — быть аморфной (бесструктурной), или при необходимости — наоборот. Идея принадлежит академику РАН Геннадию Швейкину: он предложил использовать в качестве материала новых покрытий руду, богатую оксидами кремния и титана, и получать порошки методом плазменного распыления.

Виктор Жиляев

Ноу-хау описывает ведущий научный сотрудник лаборатории тугоплавких соединений ИХТТ, один из участников проекта Виктор Жиляев: «Оксиды кремния и титана при быстром охлаждении переходят из расплавленного состояния в аморфное. В то же время содержащиеся в исходной руде в небольших количествах оксиды алюминия и циркония, которые являются природными абразивами, при охлаждении формируются сразу в кристаллическом состоянии. Поэтому в результате пропускания этих порошков через плазменную струю (поток ионизированного газа. — Ред.) образуются композиционные частицы со смешанным аморфно-кристаллическим типом структуры. Температура плазменной струи — 6 — 8 тыс. °С, время нахождения в плазменном потоке — порядка одной тысячной секунды».
Разработка ученых ИХТТ перспективна по трем причинам.

Во-первых, улучшается качество покрытий. Причем в процессе эксплуатации они не деградируют, как обычно, а упрочняются: коэффициент трения и ударная вязкость (поглощение механической энергии при деформации) минимальны. Износостойкость покрытий достигает 3,5 при эталоне, равном 1. (Сравните: этот показатель у широко используемых абразивов составляет 0,1 — 1.) При этом прочность сцепления новых покрытий с поверхностью максимальна. Ученые добились того, что в случае запредельных температур разрушается само покрытие, но разрывов сцепления со сталью не происходит. Появление новых порошков может решить проблему низкого уровня развития российских технологий напыления.

Во-вторых, решается проблема дороговизны выпускаемых в России порошков: новые должны быть в полтора-два раза дешевле. «Высокая стоимость аналогов обусловлена технологическими особенностями их получения, а также тем, что для плазменного напыления выделяется достаточно узкая фракция по размеру частиц», — поясняет профессор УГТУ-УПИ Николай Обабков. Дело в том, что новые порошки природнолегированные (производятся из минерального сырья): для их получения не требуется синтез компонентов с использованием гидрохимического и высокотемпературного переделов.

Наконец, плазменной обработкой таких порошков с добавлением некоторых тугоплавких соединений можно формировать и другие разновидности композиционного покрытия. Это решит проблему узкого ассортимента порошковых покрытий в России, а значит, существенно расширит возможности применения (выпускаемая в России номенклатура оксидных порошков для плазменного напыления сильно ограничена). «Получаемые порошки можно смешивать с порошками оксидов, карбидов, нитридов, боридов металлов», — считает Николай Обабков. Подобной продукции на российском рынке крайне мало.

Как рассказал «Э-У» заведующий лабораторией физикохимии и технологии покрытий Института металлургии и материаловедения РАН (Москва) Василий Калита, пока российские металлурги пользуются преимущественно иностранными порошками. Более дешевые и качественные порошки уральских ученых могут и должны составить им конкуренцию. Сыграет роль в их распространении и широкая область применения: машиностроение, горнодобывающая, химическая, металлургическая и атомная промышленность, авиационная и ракетно-космическая техника.

ИХТТ получил на эту разработку российский ключевой патент.