Выстоять в коррозионной среде

Ученые УрФУ разработали новый метод термообработки для изготовления деталей и узлов машин

Сотрудники молодежной лаборатории УрФУ решают амбициозную задачу: создать физико-математические модели влияния различных структурных факторов на процессы коррозии металлических сплавов

Ученые Уральского федерального университета готовят заявку на патентование метода термической обработки группы металлических сплавов для получения высокого модуля упругости. Эту разработку, которая имеет большое практическое значение для изготовления многих деталей и узлов машин (с точки зрения оптимального сочетания упругости, прочности и пластичности), выполнили сотрудники созданной полтора года назад в УрФУ молодежной научной лаборатории жаростойких и коррозионностойких сплавов на основе никеля и железа. Возглавляет лабораторию доцент кафедры термообработки и физики металлов УрФУ, кандидат технических наук Аркадий Жиляков.

— Разработка метода термообработки — один из первых практических результатов деятельности нашей лаборатории, которая была создана в рамках масштабной государственной программы поддержки университетов «Приоритет 2030», — комментирует Аркадий Жиляков. — В целом же задача перед лабораторией поставлена очень амбициозная: построение физико-математических моделей влияния различных структурных факторов на процессы коррозии металлических сплавов. При просмотре научных публикаций по коррозии самых разных сплавов (не только железных или никелевых) можно встретить очень много экспериментальных результатов. Но если начать разбираться, то они могут быть абсолютно противоречивыми. То есть вроде бы исследуют одно и то же, а результат получается разный. Например, в одном случае коррозионная стойкость повышается с увеличением размера зерна (структурная единица какого-либо металла или сплава), а в другом случае, наоборот, повышается с измельчением зерна. Потому что у каждого эксперимента есть особенности проведения: состав коррозионной среды, наличие в ней примесей; качество подготовки образцов перед коррозионными испытаниями и разное структурно-фазовое состояние исследуемого сплава. Некоторые противоречия в результатах экспериментов объясняются первыми двумя причинами, но большинство из противоречий, скорее всего, связано с различиями в структуре сплавов, о которых не всегда задумываются. К таким структурным факторам относятся: плотность и распределение дефектов кристаллического строения; наличие выделений вторых фаз и их морфология; текстура сплава; границы зерен, их тип и распределение.

Повелители сплавов

Тема коррозионной стойкости очень востребована в современной промышленности, прежде всего в энергетике. Те материалы, которые сотрудники лаборатории УрФУ подбирают, исследуют в коррозионных средах и совершенствуют, предполагается использовать, к примеру, в жидкосолевых ядерных реакторах четвертого поколения. Подобные коррозионные системы применяются и для резервуаров накопителей солнечной энергии (способ генерации с такими накопителями позволяет использовать энергию Солнца несколько недель, даже при отсутствии солнечного света).

Сотрудники лаборатории УрФУ собрали большой объем данных в ходе самостоятельно проведенных экспериментов, благо это позволяет прекрасная оснащенность необходимым оборудованием: исследователи используют приборную базу университетской кафедры термообработки и физики металлов. В распоряжении — просвечивающий электронный микроскоп, три растровых электронных микроскопа, в том числе две двулучевые машины с дополнительными ионными пушками. Все растровые микроскопы оснащены аналитическими приставками для исследования локального химического анализа вещества, текстуры материала. Изучать фазовый состав помогают два рентгеновских дифрактометра. Механические испытания (трехточечный сгиб на разрыв и сжатие) проводятся на универсальной испытательной машине Instron, которая к тому же оснащена печкой, где осуществляются высокотемпературные испытания. Для проведения испытаний на ударную вязкость и трещиностойкость материалов используется испытательный стенд с падающим грузом.

Аркадий Жиляков 34 года. В 2011 году окончил в Екатеринбурге магистратуру по направлению «материаловедение и технология новых материалов» на кафедре термообработки и физики металлов Уральского федерального университета, поступил в аспирантуру. Через три года защитил кандидатскую диссертацию по теме «Формирование структуры сплавов систем Ni-Cr-Mo и Fe-Ni-Cr-Mo при деформационном и термическом воздействии с целью повышения их коррозионной стойкости в ионных жидкостях». В августе 2022 года возглавил созданную в УрФУ молодежную научную лабораторию жаростойких и коррозионностойких сплавов на основе никеля и железа.

Также в наличии есть оборудование для исследования теплофизических свойств, которое представлено дилатометрами, прибором синхронного термического анализа, прибором лазерной вспышки, прибором динамического механического анализа, установкой для измерения коэффициента Зеебека и удельного электросопротивления. Таким образом, сотрудники лаборатории могут исследовать практически все свойства, которые можно найти в марочнике сталей.

Теперь важно не только продолжать исследования (среди которых — уникальные эксперименты), но и объединить и структурировать полученные данные в зависимости от определенных факторов, влияющих на коррозию по отдельности и вместе, а последних — великое множество. Амбициозность задачи уральских исследователей в том, чтобы систематизировать и вывести некие модели — физические и математические, которые бы четко показывали, сколько конкретно часов прослужит определенный сплав (какова его коррозионная стойкость), находясь в том или ином состоянии.

Имеющееся оборудование позволяет сотрудникам лаборатории исследовать практически все свойства, которые можно найти в марочнике сталей

— По прошествии полутора лет нашей целенаправленной работы мы уже пытаемся сформулировать некоторые физические модели. Гораздо сложнее написать формулу математической модели, расставив определенные коэффициенты. И, конечно, самым трудным будет объединить все структурные факторы, показать, как они влияют на коррозионную стойкость все вместе. Чтобы это сделать, понадобится не один год. Тем не менее есть задача, мы продолжаем работать в этом направлении, проводим эксперименты, — рассказывает завлабораторией. — Параллельно учимся управлять этим структурно-фазовым состоянием, то есть за счет температурной, деформационной обработки, за счет способа изготовления материала. Например, аддитивные технологии позволяют сильно менять структурно-фазовые состояния металлических изделий и получать заготовки, отличающиеся в лучшую сторону по своим характеристикам от стандартных прутка или трубы.

В лаборатории Жилякова провели эксперимент, связанный с аддитивными технологиями. Исследователи сравнили два образца, выполненных из коррозионностойкой стали марки AISI 316. Первый — обычный пруток, второй — аддитивная заготовка, полученная методом селективного лазерного плавления. Оба образца поместили в агрессивную солевую среду, в расплав хлоридов калия и натрия, держали там 100 часов при температуре 750 °C. Выяснилось, что коррозионная стойкость сплава, полученного по аддитивной технологии, выше коррозионной стойкости прутка в полтора раза. Результаты эксперимента ученые УрФУ опубликовали в специализированном журнале и выступили с докладом на научной конференции.

Путь к самоокупаемости

В молодежной лаборатории жаростойких и коррозионностойких сплавов на основе никеля и железа работают девять сотрудников, все в возрасте до 39 лет. Два кандидата наук, остальные — аспиранты. Студенты бакалавриата и магистратуры здесь выполняют практическую часть своих научно-исследовательских работ, особо талантливые среди них привлекаются к участию в проектах лаборатории, таким выплачивается зарплата.

Пока лаборатория функционирует преимущественно на средства, полученные в рамках стратегического проекта «Академическое превосходство» программы «Приоритет 2030», но ставится задача выйти на самоокупаемость, для этого ведется поиск индустриальных и научных партнеров. Уже выполняются работы по нескольким хоздоговорам. Среди партнеров — три предприятия Свердловской области, которые в том числе выполняют гособоронзаказ, и один из институтов Сибирского отделения Российской академии наук. Проводятся определенные виды испытаний для аттестации материалов. Коммерческие доходы пока небольшие: в прошлом году — около 500 тыс. рублей, в этом году ожидается более миллиона. Но лаборатория только разворачивает свою деятельность. 

Фотографии из личного архива Аркадия Жилякова