«И колеса времени стачивались в трении»*

Прорывные результаты в материаловедении получили ученые Института физики металлов Уральского отделения РАН

Демонстрация на Иннопроме-2025 технологии восстановления толщины плиты кристаллизатора методом сварки трением с перемешиванием с последующей фрезеровкой и напылением износостойкого композиционного покрытия / Фото Сергей Новиков, Алексей Макаров  

Трение наряду с гравитацией — одно из основополагающих для жизни на Земле физических явлений. Если мы модифицируем поверхностный слой детали, то сильно влияем на ее долговечность. Именно трение лежит также в основе современных методов поверхностного наноструктурирования металлов и сплавов

Академик Алексей Макаров: «Перспективные базовые наукоемкие технологии невозможно купить, их можно только создать и развивать»

Какие новые подходы используются для получения прорывных результатов в материаловедении, почему открытый новый эффект безызносного трения способен обеспечить России технологическое лидерство, как удалось в разы повысить стойкость стенок кристаллизаторов, жизненно важных для металлургии, в интервью журналу «Эксперт-Урал» рассказал главный ученый секретарь Уральского отделения Российской академии наук, заведующий отделом материаловедения Института физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, академик Алексей Макаров.

— Создание новых материалов относится к числу направлений по обеспечению технологического лидерства страны. Как участвует ваш институт в решении этой задачи?

— Перспективные базовые наукоемкие технологии невозможно купить, их можно только создать и развивать. Наш институт самый крупный в структуре Уральского отделения РАН, здесь трудятся около 700 человек. И значительная часть его отделов и лабораторий занимается новыми материалами. Так, различные функциональные материалы разрабатывает и изучает отдел спинтроники (спинтроника — область науки и техники, изучающая магнитные явления в твердых телах, связанные с собственным магнитным моментом электронов, и занимающаяся созданием устройств обработки и передачи информации на их основе; некоторые применения спинтроники: магнитная память, магнитные датчики и сенсоры, спинтранзисторы и логические устройства. — Прим. ред.).

Ведутся работы со сплавами, обладающими эффектом памяти формы. Их называют интеллектуальными материалами. Допустим, изделие имеет какую-то исходную форму, потом его деформируют в холодном состоянии (например, изгибают), а при нагреве это изделие распрямляется, восстанавливая свою исходную (до деформации) форму. Это можно использовать, например, в медицинских целях (при изготовлении стентов, имплантов, фиксирующих устройств) или в производстве авиа- и космической техники. В основном это сплавы на основе никеля и титана, но эффектом памяти формы, хоть и в меньшей степени, обладают также специальные стали.

В сотрудничестве с Росатомом разрабатываем радиационно стойкие материалы для атомных станций. Под действием радиации в металле образуются поры — происходит его распухание, в результате снижается прочность, это влияет на безопасность АЭС.

Не менее трети топлива, сгораемого в автомобильном двигателе, тратится на преодоление трения. Около 80% всех механизмов выходит из строя по причине изнашивания  

Я возглавляю в институте научное направление «физическое материаловедение». Разрабатываем материалы как функционального, так и конструкционного назначения (для различных деталей, инструмента). По профилю своих научных интересов особое внимание уделяю трибологии (науке о трении). Трение наряду с гравитацией — одно из основополагающих для жизни на Земле физических явлений. Без трения нельзя сделать и шага. При этом на преодоление трения человечество тратит значительную долю вырабатываемой энергии. Например, не менее трети топлива, сгораемого в автомобильном двигателе, тратится именно на преодоление трения. Около 80% всех механизмов выходят из строя по причине изнашивания. Поэтому если мы модифицируем поверхностный слой детали, то сильно влияем на ее долговечность. Именно трение лежит также в основе современных деформационных методов поверхностного наноструктурирования металлов и сплавов.

Новый эффект безызносности

— Каких прорывных научных результатов удалось добиться в рамках ваших профессиональных интересов?

— Чтобы получать прорывные результаты в материаловедении, надо использовать новые подходы. В нашем коллективе в последние годы выполнены две научные разработки, которые вписываются в решение задачи по обеспечению технологического лидерства.

Первая разработка создана Институтом физики металлов совместно с Удмуртским государственным университетом (Ижевск). Она связана с использованием лазерных технологий для кардинального снижения потерь на трение и износ. Если поверхность различных металлических деталей обрабатывать лазером с очень короткими импульсами (фокусировка излучения в пятне размером всего 30 микрон продолжительностью 40 наносекунд) с добавлением порошков нужного состава, то получаем покрытия или легированные слои с уникальными триботехническими характеристиками, то есть с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью (сопротивлением изнашиванию). А твердость такого покрытия толщиной всего 20–100 микрон и меньше может достигать половины твердости алмаза. Такого эффекта невозможно достичь при лазерной термической обработке.

Казалось бы, фокусировка в маленьком пятне не позволяет покрывать большие площади поверхности. Но ультразвуковая частота лазерных импульсов (20–100 тысяч в секунду) дает высокую производительность, то есть технология пригодна для практического использования.

Высокая плотность энергии короткоимпульсного лазерного излучения приводит к быстрому нагреву поверхности. За счет острой фокусировки мы концентрируем очень большую энергию и можем расплавлять практически любые материалы, включая тугоплавкие. Малая длительность лазерных импульсов приводит к мгновенному нагреву поверхности металла и порошкового слоя до температур свыше 2000 °С, поэтому в зоне лазерного плавления возникают высокие значения градиента температуры и скорости затвердевания при последующем отводе тепла вглубь детали.

Благодаря сверхбыстрому плавлению и последующему быстрому затвердеванию достигается сильно неравновесное состояние материалов. В результате короткоимпульсная лазерная обработка позволяет смешивать материалы, которые не смешиваются в равновесном и даже в жидком состояниях. Так, короткоимпульсное лазерное плавление порошков оксидов висмута и марганца на поверхности стали приводит к образованию наночастиц восстановленного висмута и частично восстановленного оксида висмута, диспергированных в аморфной матрице стали.

Поверхностное легирование стали висмутом с помощью короткоимпульсной лазерной обработки позволило нам в 2024–2025 годах установить новый эффект безызносности, что очень важно для многих промышленных отраслей.

— Поясните, в чем выражается этот эффект.

— Эффект безысносного трения — это явление, при котором происходит кардинальное снижение коэффициента трения (потерь на трение) и интенсивности изнашивания трущихся деталей механизмов.

Революционное научное открытие — первый эффект безызносности был открыт еще 70 лет назад советскими учеными Дмитрием Гаркуновым и Игорем Крагельским. Эффект основан на избирательном переносе атомов меди с образованием сервовитной пленки в трущихся соединениях в присутствии смазки, жирных кислот. Эффект Гаркунова-Крагельского имеет большое экономическое значение, поскольку позволяет увеличить долговечность и надежность механизмов. Благодаря этому, например, десятки лет безотказно работали легендарные холодильники «ЗиЛ».

Мы же задались целью выработать новый подход к минимизации потерь на трение при значительных нагрузках и скоростях скольжения в условиях ограниченной смазки. Установленный нами новый эффект не предполагает обязательное использование меди и смазки. Как сказано выше, нам удалось в значительной степени устранить адгезию между трущимися телами (тенденцию поверхностей сцепляться) при легировании висмутом. В результате коэффициент трения снижается вплоть до 0,02–0,03 (обычный коэффициент трения — 0,4–0,7), и это достигается даже без подачи смазки.

Важно, что мы совместно с коллегами из Ижевска добились такого результата не только в лабораторных условиях на образцах, но и в стендовых испытаниях реальной детали современного автомобиля. Для этого использовали стандартный стальной вал турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания Mitsubishi и крутили его на огромных скоростях — 75 тысяч оборотов в минуту. Стандартный вал быстро вышел из строя уже после пяти циклов испытаний в условиях граничной смазки. На его поверхности наблюдались сильные повреждения в местах контакта с бронзовыми втулками, а также следы адгезионного переноса бронзы.

А на поверхности вала, легированного висмутом, даже после 500 циклов испытаний (причем без смазки) не было обнаружено никаких повреждений или переноса бронзы.

Наш институт совместно с Удмуртским государственным университетом получили патент на этот передовой способ лазерной обработки, который может обеспечить России технологическое лидерство в данном направлении. Очень важно использовать это открытие на практике: в автомобилестроении, тепло- и электроэнергетике, где применяются турбины — везде, где есть узлы трения.

Наука — металлургии

— В чем суть второй важной научной разработки?

— Эта разработка для наших металлургов, она выполнена нами совместно с Научно-производственным предприятием «Машпром» (Екатеринбург), располагающим промышленной площадкой в Нижнем Тагиле.

Более 96% объема мирового производства стали обеспечивают машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В МНЛЗ используются кристаллизаторы, в которых происходит затвердевание жидкого металла. Но плиты (стенки) кристаллизаторов, изготавливаемые из медных сплавов, быстро изнашиваются. Когда при эксплуатации и ремонтах толщина плиты уменьшается всего на 10–15 мм, плиту отправляют в металлолом. Чтобы обеспечить качество стальных слитков и уменьшить износ при эксплуатации плит, на их рабочую поверхность наносят защитные покрытия.

Проблема в том, что доля импортозависимости в применении стенок с защитным покрытием на российских металлургических комбинатах в 2012 году составляла 97%. В 2022 году с российского рынка ушли производители и поставщики плит кристаллизаторов из Германии, Италии, Японии. Остался только Китай.

Для наших металлургов нами совместно с НПП «Машпром» сначала была разработана линейка порошковых материалов для создания износостойких композиционных покрытий на основе отечественных порошков. Также была создана уникальная технология роботизированного сверхзвукового газотермического напыления композиционных покрытий, предусматривающая нанесение этих материалов на поверхность плиты кристаллизаторов. А еще применили особую термическую обработку, которая тоже очень важна.

Уральская технология восстановления покрытий на плитах кристаллизаторов внедрена на многих меткомбинатах страны  

Промышленные испытания, проведенные на металлургических предприятиях России, показали повышение стойкости стенок от двух до 20 раз по сравнению с импортными стенками с гальваническими покрытиями, при этом выросло качество получаемых стальных заготовок.

Теперь уральская технология восстановления покрытий на плитах кристаллизаторов внедрена на многих меткомбинатах страны. Совокупный экономический эффект от реализации технологии на предприятиях ЕВРАЗ, ММК, НЛМК и ОМК составил миллиарды рублей.

Но мы совместно с АО «НПП «Машпром» предложили не только технологию нанесения композиционных покрытий на плиты кристаллизаторов, но и передовую технологию восстановления толщины этих плит — методом многопроходной плоскостной сварки трением с перемешиванием. Для этого разработана и изготовлена специальная оснастка. Данная технология была продемонстрирована на стенде Свердловской области на выставке «Иннопром» в 2025 году. Такой технологии больше ни у кого в мире нет.

Конкуренция в неравных условиях

— Для решения важных научных задач требуется самое современное оборудование. Как технически оснащен ваш институт?

— Конечно, хотелось бы лучшего приборного обеспечения. Как институт первой категории ИФМ с 2019 года финансировался на протяжении пяти лет: мы попали в федеральную программу обновления приборной базы. В частности, приобрели единственную на Урале установку сварки трением с перемешиванием, благодаря чему и была разработана технология восстановления толщины плит кристаллизаторов МНЛЗ, а также показаны перспективы сварки элементов железнодорожного транспорта из алюминиевых сплавов. К сожалению, эта программа уже закончилась. Со всем миром нам приходится конкурировать в совершенно разных условиях. Например, давно требует обновления наша приборная база для проведения просвечивающей электронной микроскопии, хотя именно в нашем институте одними из первых в стране стали осваивать и развивать этот замечательный метод структурного анализа.

Но важно объединяться, контактировать. Уже этим летом в Новосибирской области запустят Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) — крупнейший научно-технический проект. Очень рассчитываем получить с партнерами доступ к этому источнику синхротронного излучения.

Со своей стороны, Уральское отделение РАН продвигает проект «ДАРЬЯ» (neutron source Dedicated to Applied Research and Industrial Application) по созданию компактного источника нейтронов для прикладных исследований и промышленного использования. Это очень важно для исследования свойств различных материалов — от металлов и сплавов до органики (см. «Компактный источник нейтронов для прикладного и промышленного применения»). Под такой ускоритель требуется площадь всего около гектара. Рассчитываем реализовать проект у нас в Екатеринбурге, на площадке Института металлургии УрО РАН на ул. Амундсена.         

Схема проектируемого компактного источника нейтронов «ДАРЬЯ»

* Строка из «Песни об обиженном Времени» Владимира Высоцкого