Как разработки ИПМ РАН защищают детали механизмов от износа

Ни для кого не секрет, что у любой техники, у любого механизма есть свой «срок годности». Детали со временем изнашиваются в результате трения и больших нагрузок, а материалы, из которых они изготавливаются, теряют свою прочность под воздействием вибрации, эрозии, химических факторов и условий окружающей среды. В результате в поверхностном слое деталей возникают различные дефекты, незаметные невооруженному взгляду: микротрещины, разрывы, вмятины. Однако именно они приводят к снижению прочности покрытия детали, а затем и к его разрушению. При этом более «глубокие» слои материала могут остаться неповрежденными.

Ученые разработали несколько способов, как можно увеличить срок работы механизмов. Один из них связан с созданием новых конструкционных материалов с уникальными свойствами. Например, многие из вас, наверное, слышали про графен, фуллерены, углеродные нанотрубки, старлайт и т.п. Их разработкой, изучением и применением в настоящее время занимаются ведущие научные институты России и зарубежные компании. Второй способ – создать защиту для рабочих поверхностей деталей, то есть тех мест, на которые приходится максимальная нагрузка во время работы механизма. Разработкой защитных покрытий и технологий их нанесения занимаются научные сотрудники лаборатории плазменных технологий и полифункциональных покрытий Института проблем машиностроения РАН (ИПМ РАН).

Как известно, защитное покрытие – это одно- или многослойная структура, нанесенная на поверхность для защиты от внешних воздействий: корозии, температуры, давления, эрозии, трения с соседними элементами и механизмами и т.п. Соответственно, по назначению все покрытия можно разделить на жаростойкие, теплозащитные, износостойкие, корозионностойкие и антифрикционные. По своему составу они могут быть металлическими (алюминиевые, цинковые, никелевые, медные, хромовые), интерметаллидными (созданные в результате соединения двух или нескольких сплавов металлов в единый элемент) и керамическими. На защищаемую поверхность они наносятся методами ионно-плазменного вакуумного напыления, высокоэнергетического плазменного порошкового напыления или газодинамического порошкового напыления. В процессе напыления ускоренные частицы (ионы) взаимодействуют с поверхностью твердого тела, а необходимая микроструктура покрытия формируется за счет управления плазменными потоками. Сам процесс создания покрытий чем-то напоминает собирание конструктора с применением методов математического моделирования – ведь необходимо не только собрать материал, но и спрогнозировать его долговечность. Поэтому научная работа в этой области – дело не только творческое, но и очень ответственное.

Результаты исследований ученых ИПМ РАН можно встретить в любой сфере: авиастроении, машиностроении, на газовых установках, в атомной энергетике и даже в космической промышленности. Они разработали защитные покрытия для деталей топливных насосов автомобильных двигателей, газовых центрифуг по разделению урана, топливных насосов ракетной техники. И не только: на счету у лаборатории плазменных технологий и полифункциональных покрытий множество выдающихся достижений.

Одно из них – защитное покрытие для фюзеляжа планера гиперзвукового летательного беспилотного аппарата класса «воздух-космос», который в настоящее время Россия разрабатывает совместно с другими странами (Италией, Францией и др.). Сами аппараты изготавливаются из прочного титанового сплава, но даже такой материал в условиях эксплуатации нуждается в защите. И ученые ИПМ РАН разработали многослойное жаростойкое покрытие на основе сплавов никеля, алюминия и оксида циркония. Оно наносится на титановые пластины методом высокоэнергетического плазменного напыления – при этом струя плазмы под огромным давлением вылетает из плазмотрона. В результате получилась защита, выдерживающая нагрев до температуры в 1000 градусов С.

В авиапромышленности применяется еще одна разработка Института проблем машиностроения РАН – корозионностойкое покрытие для электрических контактов акустических подводных маяков воздушных судов. Подводный акустический маяк – это один из элементов системы бортовых самописцев («черных ящиков). Благодаря этому устройству спасатели и находят «черный ящик», если в результате крушения самолета он оказался на дне водоема. Ученые ИПМ РАН создали специальное покрытие на основе никеля, которое защищает электрические контакты от воздействия соленой воды. Благодаря такому улучшению, маяки, попав на дно моря, будут работать в течение 90 дней – это более чем в два раза дольше, чем лучшие зарубежные аналоги.

Еще одна из разработок ученых ИПМ РАН эксплуатируется в условиях невесомости на Международной космической станции. В конце прошлого века они создали технологию получения полифункционального ионно-плазменного покрытия на основе нитрида титана, которую сотрудники института продолжают модернизировать на протяжении последних 20 лет. В настоящее время она используется для защиты от износа деталей системы виброизоляции тренажера «Беговая дорожка», который жизненно необходим космонавтам, проводящим в условиях невесомости долгие месяцы.

Создание каждого из защитных покрытий – это долгий и кропотливый процесс. Сотрудники лаборатории плазменных технологий и полифункциональных покрытий проводят множество экспериментов, изучая свойства разных химических составов и тестируя на прочность получившиеся материалы. Но в результате получаются новые разработки, благодаря которым сложные механизмы и большие конструкции становятся более надежными и долговечными.