Как насыщалась сталь

Уфимский университет науки и технологий и его предшественник — УГАТУ славятся разработками в области авиастроения.

А некоторые из приборов, созданных уфимскими учеными и инженерами Передовой инженерной школы «Моторы будущего», входящей в структуру университета, сегодня используются, например, в российских самолетах Sukhoi Superjet и других крупных проектах. Создание приборов для машин — колоссальная работа исследователей из различных областей.

О двух разработках башкирских ученых, связанных с этой сферой, — наш нынешний рассказ.

Твёрдость Алмаза

С появлением в истории человечества металлургии ученые создавали все более прочные сплавы, которые могли бы выдерживать большую нагрузку на те или иные детали. И одновременно возникла потребность в инструментах для работы с ними, которые были бы еще прочнее.

В Уфе этим вопросом уже более 35 лет занимаются ученые кафедры технологии машиностроения УУНиТ совместно с лабораторией покрытий и специальных свойств поверхности. Обрабатывая поверхности деталей машин, в том числе авиационных двигателей, потоками заряженных частиц, они увеличивают их твердость, износостойкость и другие эксплуатационные характеристики.

— В нашей лаборатории работа ведется по двум основным направлениям: химико-термическая обработка и нанесение функциональных покрытий, — рассказывает кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры технологии машиностроения Алмаз Назаров. — При химико-термической обработке поверхность детали насыщается ионами азота (так называемый процесс азотирования), углерода (цементация) или азота и углерода одновременно (нитроцементация).

Процесс происходит в вакуумной камере в плазме тлеющего разряда, а глубина ионной модификации (насыщения) составляет 50 — 500 микрон, то есть максимум на полмиллиметра.

Процесс азотирования проходят, например, все шестеренки и валы в двигателе машины, так как они испытывают сильное трение во время работы двигателя и должны быть твердыми снаружи — для износоустойчивости и пластичными внутри — чтобы переносить большие нагрузки. Азотирование применяется и для обработки штампов, матриц, пунцонов (инструмент для гравировки), а также инструментов, применяемых в нефтебурогазовой промышленности. При этом для каждого типа детали и материала, из которого она изготовлена, ученые разрабатывают собственную технологию, изменяя температуру, давление, глубину насыщения и другие технологические параметры.

Сам Алмаз Юнирович работает по второму направлению, связанному с нанесением различных функциональных покрытий. Если при химико-термической обработке поверхности размеры детали не меняются: металл впитывает в себя ионы азота и углерода как губка, — то здесь речь идет о нанесении на поверхность детали или инструмента дополнительного слоя — соединения металла с тем или иным реакционным газом.

Самым распространенным способом нанесения этого слоя стал метод вакуумно-дугового осаждения, который распространился в СССР еще в 70-е годы прошлого века, а в лаборатории уфимского вуза начал применяться с конца 80-х годов. Его суть в том, что деталь помещается в вакуумную камеру, в которой установлен генератор металлической плазмы. Когда в нем зажигается вакуумная дуга, происходит испарение материала катода, который и наносится на поверхность детали.

Метод вакуумно-дугового осаждения широко используется для обработки металлорежущих инструментов.

Около 30 лет назад были созданы базовые покрытия — нитрид титана, нитрид циркония, нитрид молибдена. Сегодня же в лаборатории УУНиТ создаются более сложные соединения — нитрид титан алюминия, нитрид алюминий титана, соединения с хромом, кремнием, бором и другими металлами.

— Я занялся этой темой в 2016 году, поступив на первый курс магистратуры, — рассказал Алмаз Назаров. — Интересно было участвовать в экспериментах, самому проводить опыты. И благодаря моему научному руководителю Эдуарду Леонидовичу Варданяну появилось желание остаться в науке. Исследование композиционных покрытий системы TiAl легли в основу и моей кандидатской диссертации. Тогда в лаборатории как раз появился новый генератор плазмы, и научный руководитель предложил мне поэкспериментировать с различными соединениями для покрытий. Нитриды титана, алюминия использовали все. А что будет, если в покрытие добавить, например, углерод, кислород? Мы знали, что карбидное покрытие обладает очень большой твердостью — в три-четыре раза большей, чем нитридное. Но при этом оно было достаточно хрупким. Значит, для достижения необходимых характеристик его надо было комбинировать с другими элементами...

Исследовательская работа оказалась делом творческим. Молодой ученый комбинировал разные составы, изучал их, создавая архитектуру нового покрытия. Например, выяснил, что первым слоем можно нанести нитрид, который проявляет лучшую адгезию (сцепление) с основным материалом, затем — оксидное соединение, химически инертное, а верхним слоем — карбид, который в начале работы режущего инструмента подвергается наибольшему износу. В итоге Алмаз Юнирович разработал сложные композиции, которые успешно прошли испытания, а затем были внедрены в производство на УМПО.

Уже восемь лет в лаборатории таким образом обрабатывают металлорежущие инструменты для обработки жаропрочных сплавов, используемых в авиастроении, для уфимского завода. Сотрудничают также с технопарком инновационных технологий и еще несколькими предприятиями. За месяц на имеющемся в распоряжении ученых оборудовании можно обработать около 500 инструментов, поэтому, если потребности предприятия возрастают, на нем при содействии лаборатории создается участок по нанесению износостойких покрытий.

Сейчас уфимские ученые занимаются трендовыми разработками: нанокомпозиционными покрытиями (в соединение добавляют кремний или медь, зерна в которых уменьшены до наноразмеров, что улучшает свойства покрытия) и износостойкими покрытиями на основе диборида титана. Он позволяет обрабатывать титановые, жаропрочные и легированные (обогащенные) сплавы, углеволокно, стекловолокно.

А в скором будущем ученые лаборатории покрытий и специальных свойств поверхности УУНиТ займутся фундаментальными исследованиями на базе «СКИФа» — Сибирского кольцевого источника фотонов, который сейчас строится в Новосибирске, в наукограде Кольцово. Он станет самым современным синхротроном в мире. Первая очередь должна заработать в декабре 2024 года. А во второй очереди откроется станция «Поверхность», где как раз и будут изучать процессы, происходящие на поверхности металлов.

Конструктор для двигателя

Сегодня, когда импортозамещение стало трендом в российской промышленности, программное обеспечение (ПО), разработанное на кафедре двигателей внутреннего сгорания УУНиТ, пришлось как нельзя кстати. Оно позволяет создавать цифровые модели двигателей. До 2022 года на отечественных предприятиях использовались иностранные аналоги такой программы. Но с приходом санкций они стали недоступны. Зато у разработки Уфимского университета появился шанс заявить о себе.

— Создание любого технического изделия в наше время начинается с цифровой модели, — рассказывает доцент кафедры Нияз Мусин, возглавивший компанию, которая будет продвигать ПО на российском рынке. — На первом этапе это простые модели, затем — более сложные. Мы специализируемся на одномерном моделировании: как конструктор, из отдельных «кубиков» собираем виртуальный двигатель. Каждый такой «кубик» — элемент двигателя: цилиндры, трубки, клапаны, генераторы, топливные насосы. Соединяем их между собой, запускаем расчет и смотрим показатели, зависимости, графики. Можно изменять их размеры, комплектацию и за короткое время перебрать массу вариантов, чтобы получить оптимальные характеристики двигателя. Затем эти данные будут использоваться на этапе трехмерного моделирования.

Нияз Хамитович подчеркнул, что ПО было разработано и успешно использовалось на кафедре ДВС уже около 30 лет. Исходная программа создавалась под руководством Бориса Петровича Рудого, который был на тот момент заведующим кафедрой. Затем над ней работали его ученики. А сейчас ключевую роль играют нынешний завкафедрой Рустэм Еникеев и доцент Андрей Черноусов.

Аналогичные программы есть и в других университетах России, однако по степени зрелости и готовности выходить с ними на рынок подобных уфимской нет. Сейчас ученые добавляют в нее новые модули, которые могут потребоваться пользователям. Благо УУНиТ сам занимается разработкой двигателей и хорошо знает потребности своих партнеров и коллег. А к концу этого года уфимские ученые надеются заключить первые контракты.

Нияз Мусин возглавил компанию, которая управляет процессом разработки и продвижения, — университет не может сам заниматься продажами, для этого было создано ООО. В этом году оно получило грант Фонда содействия инновациям, который поможет завершить все подготовительные этапы и выйти на рынок.

— Сам пакет ориентирован на двигатели внутреннего сгорания, но в принципе он универсальный, — добавляет Нияз Хамитович. — В следующем году мы планируем расширить его на другие элементы транспортных средств — коробку передач, колеса, а также на летательные аппараты. Это будет зависеть от запросов потенциальных партнеров.

СПРАВКА

Центр коллективного пользования «СКИФ» — установка класса «мегасайенс», источник синхротронного излучения поколения 4+ с энергией 3 ГэВ. Заказчиком и застройщиком проекта является Институт катализа имени Г. К. Борескова СО РАН, подведомственный министерству науки и высшего образования РФ. «СКИФ» строится на земельном участке площадью 30 га, а периметр основного кольца ускорителя составит 480 метров.

Синхротрон — это кольцевой циклический ускоритель заряженных частиц, который позволяет разгонять частицы со скоростью света, а затем выводит излучение на экспериментальные станции, где ученые ставят на его пути образцы и проводят необходимые исследования.