Материаловеды Томского государственного университета (ТГУ) научились кардинально менять свойства традиционных сплавов – "заставлять" их эффективнее работать при температуре минус 65 градусов или спокойно выдерживать тысячу с лишним… Как это может повлиять на развитие передовых отраслей промышленности, от ракетостроения до выпуска биосовместимых имплантов – в материале РИА Томск.

Апгрейд ракеты

Аддитивные технологии (упрощенно – 3D-печать, формирование изделий путем "сложения" слоев материала) стали уже обычным делом. Напечатать любую детальку из простых полимеров – ноль проблем. Металлическую – тоже решаемо. Но серийно печатать ответственные элементы супертехнологичных конструкций (например, элементов ракет или самолетов) пока затруднительно, поскольку материал слишком непредсказуем, условия эксплуатации слишком суровы.

Такие задачи и должны решать ученые-материаловеды – создавать материалы, стабильно выдерживающие самые экстремальные условия. И, желательно, при этом воспроизводимые на цифровом производственном оборудовании, то есть с минимальным участием человека. Для государства это приоритет – если судить по грантам и стипендиям, которые получают коллективы, занимающиеся соответствующей тематикой. 

Так, этим летом сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ, замдиректора НОЦ "Аддитивные технологии" Владимир Промахов получил стипендию ВПК (размером 350 тысяч рублей) "за значительный вклад в создание прорывных технологий и разработку современных образцов вооружения, военной и специальной техники в интересах обеспечения обороны страны и безопасности государства".

© предоставлено пресс-службой ТГУ

"Меня часто спрашивают: вы можете напечатать такую штуку, которую больше никто не сможет? Всегда отвечаю: нет, 3D-принтеры позволяют кому угодно печатать что угодно. Но мы в ТГУ можем сделать ту же "штуку" более легкой, прочной и износостойкой", – говорит Владимир Промахов.

Промахов поясняет: "Мы умеем делать классные композиты (искусственно созданные материалы из неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов) – на основе магния, алюминия, никеля, железа, интерметаллидов и керамики. Наша цель – получить изделия, которые могут работать при экстремальных нагрузках (температурных, вибрационных, ударных), как, скажем, в авиационных двигателях".

Для этого меняется структура материалов – за счет введения различных лигатур (добавок). Например, есть известный сплав инконель на основе никеля, который может работать до температуры около 1000 градусов и традиционно используется в авиастроении. Ученые ТГУ ввели внутрь керамические наночастицы и получился сплав с повышенными на 10-20% прочностными характеристиками. 

"Или, например, у нас есть технология азотирования, когда азот вводится в структуру материала и меняет его свойства. Таким способом мы сделали лигатуру, которая повысила хладостойкость стали при минус 65 градусах в два раза, при этом химсостав сплава не изменился – а это суперважно для жестко регламентированного производства, когда отступать от технологической документации категорически нельзя", – говорит Промахов.

© предоставлено пресс-службой ТГУ

Изделия печатаются из порошка, частицы которого имеют размер около 50 микрон. В ТГУ придумали, как каждую такую частицу сделать композиционной и равномерно распределить внутри нее нанокерамику. Смесь попадает в принтер, плавится и превращается в конструкцию с новыми свойствами.

Свобода творчества

Владимир Промахов пришел в университет в 2014 году, целенаправленно – в группу Александра Ворожцова, признанного специалиста по металлургии легких сплавов. 

"Мы расширили научную группу и начали заниматься очень интересными проектами в области материаловедения, такими, как композиты с нанокерамикой. Сделали свою оригинальную машинку, которая печатает керамикой, разработали составы, технологию получения сложнопрофильных деталек.

Атмосфера в университете всегда была очень свободной и творческой, и это сразу сказалось на результате: если в ИФПМ, где я работал после окончания физтеха ТГУ, за пять лет работы у меня было две Scopus-публикации (внесенных в международную базу данных) за шесть лет, то с 2014-го по 2020-й в ТГУ – 52 таких публикации", – вспоминает Промахов. 

© с сайта Томского госуниверситета

"Молодежь сейчас охотно идет в науку – видит, что головой можно зарабатывать, если заниматься актуальной для государства повесткой. Я это понял на четвертом курсе, когда выиграл программу "УМНИК" Фонда "Бортника" (500 тысяч на два года реализации своего научного проекта)", – говорит Промахов.

Но успешного исследователя всегда мучил вопрос: а как сделать мои разработки "полезными" каждому человеку, а не только крупным промышленным предприятиям или корпорациям?

"Хотелось, чтобы благодаря нашим результатам появился не только отчет государству по гранту. И я подумал: а почему бы не попробовать делать из нанокерамики такие вещи, которые могли бы приносить эмоции всем людям? В 2010 годах как раз стали появляться украшения из керамики самых известных мировых ювелирных брендов – очень эстетичные, прочные, не вызывающие аллергию. И я решил поэкспериментировать в этом направлении", – вспоминает Владимир Промахов. 

Оказалось, что найти исходные материалы – нанопорошки на основе диоксида циркония не так-то просто – в России производителей нет. Пришлось заказывать в Европе и в Японии и проводить огромное количество экспериментов для того, чтобы разработать полную технологию производства изделий из Hi-Tech керамики ювелирного качества. Долгими вечерами Владимир подбирал "ключики" к материалу – как прессовать, отжигать, обрабатывать, шлифовать. Ведь, например, один только этап спекания изделия требует 36 часов...

"Когда наступила стадия "А давай теперь эту прекрасную штуку сделаем в количестве тысяча, то есть масштабируем производство", то возникли большие проблемы. На отладку технологии я потратил еще два года – чтобы производить серийно, с хорошей повторяемостью качества", – поясняет он, подытоживая: около пяти-шести лет потребовалось на воплощении идеи ювелирного бизнеса. 

© предоставлено пресс-службой ТГУ

Испытания показали, что образы из керамики на основе диоксида циркония в два раза прочнее сплавов из титана, считающихся одними из самых прочных. Секрет в том, что средний размер "кристаллов" – менее 1 микрона, и структура не имеет пор (дефектов), которые снижали бы прочность.

Параллельно в компании начало развиваться очень важное и интересное направление – разработка технологии производства зубных имплантатов и зубных коронок. 

"После анализа рынка мы поняли, что запрос на этот продукт очень большой, а наши наработки позволяют его производить, если провести еще кое-какие исследования. При этом собственных технологий производства зубных имплантатов и коронок из нанокерамики в России до сих пор нет – стоматологи делают их из импортных материалов.

В итоге мы начали разрабатывать технологии производства имплантатов и коронок разных форм и размеров, с разной резьбой и разной формой абатмента (головки, на которую "садится" коронка), а также специальные ключи, с помощью которых хирурги вкручивают их в кость. Стоимость конечного изделия будет дешевле зарубежных аналогов – потому что изделие производится полностью в России", – рассказывает Владимир.

До серийного производства еще далеко – в связи с особенностями медицинского рынка. Но технология уже практически готова и ее перспективы впечатляют – потенциально в Томске можно производить до 10 тысяч изделий в месяц.

© предоставлено пресс-службой ТГУ

Источник