«Мы впервые в мировой практике применили принцип конструирования покрытия…»

Интервью с начальником лаборатории «Защитные ионно-плазменные, газотермические и газоциркуляционные покрытия деталей ГТД» Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) Сергеем Артемовичем Мубояджяном.

С.А. Мубояджян – создатель нового научного направления в авиационном материаловедении, вакуумной плазменной технологии высоких энергий. Доктор технических наук, профессор, лауреат Премии Совета Министров СССР, Премии Правительства РФ, национальной премии «Золотая идея», награжден золотой, серебряной и бронзовой медалями ВДНХ СССР, знаками «За заслуги перед ВИАМ» I и II степени, золотой медалью Женевского салона по изобретениям и др.

В ВИАМе работает с 1975 г., прошел путь от старшего научного сотрудника до начальника лаборатории. Автор разработки ионно-плазменного оборудования – установок МАП-1, МАП-1М, МАП-2, МАП-3, которые нашли широкое применение на моторостроительных предприятиях авиационной промышленности. Под его руководством и при участии разработан целый ряд покрытий: ионно-плазменных жаростойких, коррозионностойких и износостойких, разработаны технологические процессы нанесения защитных и упрочняющих покрытий; освоен выпуск трубных катодов из материалов, необходимых для производства покрытий.

Применение разработок, проводимых под руководством С.А. Мубояджяна, позволило освоить газотурбинные двигатели 3–4 поколений для самолетов МиГ-27, Су-27, Су-37, Ил-62, Ил-86, Ил-96, Ту-204 и др.

Автор почти трехсот научных работ, в том числе 4 книг, и 93 авторских свидетельств и патентов.

«В МВТУ я занимался электрореактивными космическими двигателями…»

Я окончил МВТУ имени Баумана, учился там в аспирантуре и защитил диссертацию, некоторое время работал. И в студенческое, и в аспирантское время занимался электрореактивными космическими двигателями, как маршевыми вариантами, так и служащими для ориентации. Темой дипломной работы был ионный ускоритель на 100 киловатт для маршевых полетов в сторону Марса, а диссертацию защищал по проблеме преобразования тока в металлической плазме. Разработал ионный ускоритель, работающий на переменном токе... Вообще за те годы, с 1967-го по 71-й, оформил 15 авторских свидетельств на изобретения, так что у меня был достаточно большой опыт в процессах генерации плазмы, использования ее для разных нужд. Этот опыт потом очень пригодился. А вот потребность в двигателях была в то время не очень большой, поскольку космическая программа к середине 70-х годов сворачивалась, мы искали перспективы использования наших разработок в других сферах.

И я решил поменять место работы, пошел устраиваться в ВИАМ. Запомнилась встреча с тогдашним начальником ВИАМа, Заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, Лауреатом Ленинской и Государственной премий СССР в области науки и техники, членом-корреспондентом Академии наук Алексеем Тихоновичем Тумановым. Легендарный человек: достаточно сказать, что он был разработчиком «доброй старой» дельта-древесины в 1930-е, а в 1960-е стал одним из основателей такого весьма перспективного и сейчас направления, как разработка композиционных материалов. Его справедливо считают одним из разработчиков материального облика современной космической техники. И к разработке жаропрочных сплавов, с деталями из которых мне пришлось самому много работать впоследствии, он имел прямое отношение... Алексей Тихонович в ходе беседы поинтересовался моими наработками и планами, одобрил их, и я прошел конкурс и был принят в лабораторию, тогда еще 27-ю, старшим научным сотрудником.

«Мы выступали в роли не только материаловедов, но и конструкторов …»

Теперь я занимался уже не космической техникой, а созданием покрытий для деталей газотурбинных двигателей (ГТД) из жаропрочных сплавов. Это не такие уж разные виды деятельности, потому что в обоих случаях «инструментом» является поток высокотемпературной плазмы. Чтобы такой поток получить, нужно специальное оборудование, и мы его в ВИАМе создали, так что выступали в роли не только материаловедов, но и конструкторов, тесно сотрудничали с нашим конструкторским отделом, где бывали каждый день и все оговаривали до мельчайших подробностей.

Группа поначалу была небольшая. Через 7–8 месяцев я пригласил на работу в ВИАМ моего товарища из МГТУ, хорошего испытателя, исследователя Ярослава Азарьевича Помелова (сейчас его, увы, нет с нами). Он разработал чертежи лабораторной установки с торцевым холловским плазменным ускорителем. Сделали две такие установки. Ускоритель позволял получать в вакууме поток металлической плазмы материала катода. Это смесь ионов и электронов с температурой 10000°С и больше. Данный поток металлической плазмы генерируется при помощи вакуумной дуги, плазма направляется на обрабатываемое изделие и там конденсируется, образуя металлическое покрытие из исходного материала катода, меняющее поверхностные свойства материала детали. Для лопаток турбин это в первую очередь служит повышению жаростойкости. Жаропрочные сплавы, которые обладают высокой прочностью при высоких температурах, легируются тугоплавкими металлами, которые, в свою очередь, снижают жаростойкость сплава. Такой получается парадокс, поэтому поверхность лопатки приходится защищать дополнительно. В промышленности для получения жаростойкого покрытия на поверхности лопаток турбины использовались алюминидные покрытия, получаемые процессом порошкового алитирования. При этом на поверхности формировался диффузионный слой, богатый алюминием до 28–30% по массе, в то время как в жаропрочном сплаве содержание алюминия обычно не превышало 5%.

Насыщение поверхности лопаток турбин алюминием использовалось для защиты их от окисления при температурах до 1000°C. До нас это был основной вид защиты деталей из сталей и жаропрочных сплавов. Покрытие – вещь жертвенная, «расходный материал», и пока там есть алюминий, на поверхности возникает оксидная пленка, которая является защитной. Но проблема была в том, что рабочие температуры стали расти, и эти покрытия уже не обеспечивали работу и ресурс. Надо было найти новые типы покрытий, которые бы позволяли повысить рабочую температуру. И мы это сделали, применили принципиально новую технологию вакуумно-плазменного напыления, что на нашем техническом жаргоне так и называется: «напылить» на поверхность.

Первое жаростойкое покрытие, которое мы разработали, это конденсированное покрытие из сплава СДП-2 (СДП – Сплав Для Покрытия) системы никель – хром – алюминий – иттрий (который добавлялся для повышения адгезии оксидной пленки алюминия, наличие оксида иттрия способствовало повышению жаростойкости). Это покрытие более высокотемпературное, оно способно работать при 1050–1100°С. И мы начали проектирование установки для его нанесения совместно с конструкторским отделом ВИАМа, где ведущим конструктор был Александр Ефимович Алабушев, и создали установку, которую назвали МАП-1. Многие думали, что МАП – это Министерство авиационной промышленности, а это всего лишь аббревиатура «Мубояджян – Алабушев – Помелов»…

Надо было решать, как изготовить опытную ионно-плазменную установку МАП-1. К этому времени мы проводили опытные работы с Московским машиностроительным предприятием им. В.В. Чернышева (завод «Красный Октябрь»), и у завода остро стоял вопрос по жаростойким покрытиям для лопаток турбины высокого давления нового двигателя для самолета МиГ-29. Мы провели опробование нового диффузионного ионно-плазменного покрытия из сплава ВСДП-11 на лопатках двигателя для самолета МиГ-23 и показали, что новое покрытие взамен порошкового алитирования обеспечивает повышение ресурса рабочих лопаток турбины высокого давления в два раза. Покрытие по сравнению с серийным алитированием имело более высокую пластичность благодаря низкому содержанию в нем алюминия (22% по сравнению с 28 % по массе) и высокую жаростойкость, достигаемую легированием его кремнием и иттрием. Кроме того, покрытие, получаемое серийным порошковым алитированием, имело ограниченную толщину (не более 40 мкм): при большей толщине на лопатках возникали трещины термической усталости, что недопустимо из-за опасности развития этих трещин и обрыва лопатки. Новое ионно-плазменное диффузионное легированное покрытие можно было наносить толщиной до 60-70 мкм (благодаря высокой пластичности), и в целом все это обеспечивало его высокую работоспособность.

В новое покрытие поверил и поддерживал нашу технологию заместитель главного металлурга завода Виктор Ильич Крючков, и он был инициатором изготовления установок МАП-1 на ММП им. В.В. Чернышева. Эту идею поддержал и главный инженер завода Григорий Израилевич Пайкин. Григорию Израилевичу, очень известному человеку в нашем техническом мире, принадлежит огромная роль в производстве и последующем освоении новых установок. Их тогда завод сделал три (одну для ВИАМа), и мы в 1981-м году впервые внедрили в серийное производство технологию нанесения износостойкого высокотемпературного покрытия из сплава ВЖЛ-2 на ниппель топливного коллектора форсажной камеры двигателей для самолетов МиГ-23 и МиГ-25. Здесь проблема состояла в том, что вибрационный износ ниппелей на 1 мм и более приводил к прорыву горячих газов из двигателя в крыло самолета, что было недопустимо. А ниппель с покрытием практически не изнашивался, изнашивалась, да и то незначительно, лишь втулка, охватывающая ниппель, так что проблема была решена. К сожалению, внедрить покрытие из сплава ВСДП-11 на лопатки турбины этих двигателей не удалось, так как их производство сворачивалось, и завод переходил на производство двигателя РД-33 для самолета МиГ-29.

Однако серийного производства установок МАП-1 еще не было. В Министерстве авиационной промышленности СССР был издан приказ об изготовлении 100 электронно-лучевых установок УЭ-175 на РПО «Электромеханика» (установка УЭ-175 это громоздкое сооружение в два этажа, работающее при высоком напряжении 40 киловольт). Изготовление опытных установок МАП-1 на ММП им. В.В. Чернышева и внедрение технологии в серийное производство, успешное опробование покрытия ВСДП-11 на лопатках турбины двигателей для самолетов МиГ-23 и Миг-25 показали, что в ВИАМе создана новая технология, альтернативная технологии электронно-лучевого напыления. По настоянию завода, Министерство приняло решение о приемке установки МАП-1 комиссией, в которую входили специалисты из Института электросварки имени Б.Е. Патона, занимающиеся электронно-лучевым оборудованием (УЭ-175) и технологией нанесения покрытий под руководством доктора технических наук, академика НАН Украины Бориса Алексеевича Мовчана. Представители ВИАМа и ММП им. В.В. Чернышева успешно сдали установку МАП-1 комиссии министерства.

Эта установка – периодического действия. Для генерации плазмы материала покрытия в ней используется вакуумно-дуговой разряд, горящий между цилиндрическим трубным катодом (изготовленным из материала покрытия) и анодом, охватывающим соосно катод. Трубный катод диаметром 180 мм, толщиной стенки 20 мм и длиной 340 мм снабжен приводом перемещения и совершает возвратно поступательное перемещение. При этом «испарение» катода происходит катодными пятнами вакуумной дуги по кольцевой траектории, неподвижной в пространстве. Для этого внутри катода размещается электромагнитный фиксатор катодных пятен. Между анодом (цилиндрическая охлаждаемая обечайка) и катодом располагается планетарный привод вращения покрываемых изделий (24 позиции вращения на диаметре 550 мм). После зажигания вакуумной дуги в установке на изделия подается отрицательный потенциал на уровне 300 В, и в металлической плазме начинается ионная очистка покрываемых поверхностей. После окончательной очистки поверхности изделий (3-5 минут) потенциал на изделиях снижается и начинается процесс конденсации покрытия при энергиях частиц около 100 электрон-вольт. Установка МАП-1 позволяла наносить конденсированные покрытия (покрытия, нанесенные на поверхность изделия) из сплавов различного легирования, а также получать ионно-плазменные легированные диффузионные покрытия, что не удавалось при технологии порошкового алитирования.

«Покрытие позволило повысить ресурс рабочих лопаток в четыре раза по сравнению с серийным алитированием...»

К тому времени наша технология сформировалась, и называлась она ВПТВЭ – вакуумная плазменная технология высоких энергий. Причем «высоких» – не совсем точное слово, хотя у нас там энергии были на два порядка выше, чем те, которые реализуются при электронно-лучевом испарении и конденсации (в физике принято считать высокими (100-200 килоэлектрон-вольт и более).

Уже с использованием установки МАП-1 в ВИАМе было проведено опробование ряда жаростойких покрытий на рабочих лопатках турбины высокого давления нового двигателя РД-33 для самолета МиГ-29. В основном сравнивались покрытия из сплава СДП-2 (ВПТВЭ) и СДП-1(это никель – кобальт – хром – алюминий – иттрий), нанесенное по электронно-лучевой технологии. Для нанесения качественного электронно-лучевого покрытия поверхность лопатки турбин полировали до 9-10 класса чистоты, что не требовалось для покрытия, нанесенного методом ВПТВЭ, и это одно из преимуществ данной технологии. Исследование покрытий на лопатках турбины после их испытаний на технологическом двигателе показало преимущества ионно-плазменного покрытия из сплава СДП-2 перед покрытием СДП-1 и серийным алитированием. Покрытие СДП-2 сохранило свои защитные свойства, а на серийном покрытии и покрытии СДП-1 были прогары по входной кромке лопаток. На части лопаток с покрытием СДП-1 наблюдалась сильная «морщинистость» покрытия по входной кромке. Это свидетельствовало о высокой температуре на входных кромках лопаток, так как при таких температурах у покрытия СДП-1 имеет место значительное увеличение коэффициента термического расширения, который весьма превышал аналогичный коэффициент у жаропрочного сплава лопатки. На основании результатов опробования заводом было принято решение наносить в серийном производстве ионно-плазменное покрытие из сплава СДП-2, на котором настаивал ВИАМ. Покрытие позволило сразу повысить ресурс рабочих лопаток турбины высокого давления в четыре раза по сравнению с серийным алитированием.

Для нанесения покрытия была разработана двухместная технологическая оснастка с нижним и верхним расположением лопаток, что позволяло на установке МАП-1 наносить покрытие одновременно на 48 лопаток, тогда как на установке УЭ-175 их одновременно обрабатывалось только 6 или 8.

В декабре 1983 года началось серийное нанесение покрытия СДП-2 на лопатки турбины двигателя РД-33 на двух установках МАП-1 ММП им. В.В. Чернышева. Нам пришлось для этого решить ряд вопросов. В первую очередь, разработали «Базовый технологический процесс нанесения покрытий методом ВПТВЭ», который был утвержден в Минавиапроме. Параллельно с производством создавался участок подготовки лопаток для нанесения покрытия, участок контроля качества покрытий, металлографического контроля покрытия и другие. Первые два года приходилось проводить на заводе до 20—25 часов в неделю и решать вопросы по доводке установок МАП-1 для их работы в условиях серийного производства, вопросы по технологии, по контролю процесса нанесения покрытия. Мы наладили весовой контроль толщины покрытия, контроль адгезии покрытия, эталоны внешнего вида...

Требовалось освоить серийное производство трубных катодов из сплава СДП-2. Здесь нам помогли специалисты-технологи по выплавке и литью Анатолий Иванович Щербаков, Петр Степанович Анучин и Виктор Ананьевич Калицев. Они освоили серийный выпуск катодов на Куйбышевском (ныне Самарском) сталелитейном заводе Минавиапрома.

«Первыми в мире применили локальное нанесение покрытия…»

Таким был первый этап этого масштабного виамовского проекта. Потом было освоено серийное производство установок, Александр Ефимович Алабушев с конструкторами подготовили чертежи, их передали на Ржевское производственное объединение «Электромеханика», предприятие по производству нестандартного оборудования для авиационных мощностей. За несколько лет «Электромеханика» изготовила около ста установок МАП-1 и оснастила ими двигателестроительные предприятия авиационной отрасли.

После замены жаропрочного сплава лопаток на сплав ЖС26ВНК ресурс покрытия из сплава СДП-2 увеличился до 300 часов, но для двигателя требовалось дальнейшее повышение ресурса лопаток турбины.

С этой целью в 1987–1988 годах мы разработали новое высокотемпературное конденсационно-диффузионное (КДП) покрытие СДП-2 + ВСДП-16. В этих работах принимал активное участие Сергей Александрович Будиновский. Мы первыми в мире применили локальное нанесение покрытия. Требования к покрытию на различных участках пера лопаток турбины отличаются. Так, на входной кромке лопаток требуется защита от высоких температур, а в районе выходной кромки нужно пластичное покрытие с высоким сопротивлением к образованию трещин термической усталости. Для обеспечения этих противоречивых требований сначала «пылят» первый слой по всей поверхности лопаток из сплава СДП-2, потом лопатки достают, переставляют в специальную кольцевую оснастку, где из нее выходят или, грубо говоря, торчат только входные кромки лопаток, и буквально 15–20 минут они проходят специальную обработку в плазме алюминиевого сплава ВСДП-16. Такую технологию ВИАМ разработал и применил впервые в мире. Конечно, раньше и другие могли часть лопаток покрыть, а часть нет, но вот дифференцировать покрытие, да еще профилировать толщину – никто! А мы научились на спинке делать покрытие тоньше, а на корыте толще, потому что корыто гораздо более теплонапряженное, чем спинка… Так мы впервые в мировой практике применили принцип конструирования покрытия, ведь наша технология – не просто нанесение одного материала на другой, а именно конструирование.

Так делали покрытие на лопатках турбины высокого давления двигателя РД-33 самолета МиГ-29. На турбине низкого давления этого двигателя лопатки длинные, довольно тонкие, и малейшая их деформация при обработке замков лопаток приводила к неприятным последствиям – статическим трещинам на пере лопаток. Поэтому в 1987-м году мы внедрили диффузионное покрытие из сплава ВСДП-11 на эти лопатки, и, так как покрытие наносится на окончательно готовые лопатки, нам удалось решить проблему брака при их изготовлении. Одновременно мы в два раза повысили ресурс покрытия по сравнению с порошковым алитированием. В результате внедрения процесса на ММП им. В.В. Чернышева каждый месяц за 3-4 дня покрытие наносили на 8000 лопаток, на заводе был создан участок ВПТВЭ с 10 установкам МАП-1. Внедрение технологии начиналось с двух деталей, а в настоящее время ионно-плазменные покрытия на заводе наносят на 130 типах деталей. С середины 80-х годов технология ВПТВЭ начала широко внедряться на всех двигателестроительных предприятиях авиационной промышленности страны.

Нам было понятно, что именно нужно сделать при внедрении технологии, и мы это сделали, и взаимопонимание с производственниками было нормальное. Виамовцы еще раз подтвердили свой высокий уровень.

«Началась работа по созданию на базе установки МАП-1 установки МАП-1М и установки МАП-2, с компьютерным управлением...»

Тяжелые 90-е годы запомнились и людям нашего поколения, и более молодым. Многие из-за малых окладов уходили из науки и производства, но в нашем направлении основной костяк все же сохранился. И само направление развивалось, мы продолжали работать, сделали установку МАП-1М. В отличие от МАП-1, она позволяла «пылить» не только металлические покрытия из сплавов на основе никеля, кобальта и алюминия и чистые металлы, но и нитриды, карбиды и карбонитриды металлов. А также позволяла осуществлять новые процессы ионной обработки поверхности в металлической плазме – ионное «сухое» травление поверхности и ионное насыщение (модифицирование) поверхности обрабатываемого изделия. Последний процесс является принципиально новым, он был впервые разработан в ВИАМе и позволяет получать на поверхности изделий при «низкой» температуре диффузионные слои на основе металлов и сплавов, обеспечивающие высокие защитные свойства поверхности. На базе установки МАП-1М Ржевское производственное объединение «Электромеханика» разработало установку АПН-250 и освоило ее серийный выпуск.

Модернизация установки МАП-1 состояла в том, что мы подняли напряжение на обрабатываемых изделиях до 900 вольт, ввели очистку деталей ионами газов перед нанесением покрытий и подачу реактивных газов в установку.

Затем начали разрабатывать новые процессы и, в частности, ионное модифицирование поверхности в вакуумно-дуговой плазме установки МАП-1М. При модифицировании ионами плазмы поверхности на ней происходят процессы ионного нагрева, катодного распыления, взаимодействия ускоренных ионов с решеткой материала подложки и – процесс ускоренной ионной термостимулированной диффузии. Оказалось, что этот процесс имеет на несколько порядков более высокие скорости, чем процесс диффузии в контакте двух твердых тел – модификатора и основы. Существенно, с 1000° до 500°С и менее, снижаются температуры. Так, например, если в этих условиях подложку из компрессорной стали модифицировать в плазме титана, то при температуре около 500°С модифицированные слои, в которых сталь насыщена титаном на глубину до 30-40 микрометров, можно получить всего за 30-40 минут. Этот абсолютно новый, повторюсь, оригинальный процесс в конце 90-х годов разработали именно в ВИАМе.

Затем началась работа по созданию на базе установки МАП-1М установки МАП-2, автоматизированного варианта с компьютерным управлением. Было сделано несколько установок МАП-2, и для заводов отрасли, и одна для ВИАМа.

«Надо было сделать двигатель всеклиматического применения…»

В конце 1990-х годов к нам обратилось ОАО «Климов» с просьбой разработать покрытие для двигателя морского варианта РД-33 МК, для самолетов палубной авиации МиГ-29. Шли переговоры с Индией на поставку авианосца с этими истребителями в морском исполнении, и «Климов» начал работы по доводке двигателя РД-33, чтобы сделать его пригодным для морского, корабельного использования. Мы начали работы по поиску коррозионностойких покрытий для деталей компрессора двигателя, учитывая жаркий и влажный тропический климат, в котором этой технике предстояло работать. Двигатель был рассчитан для общеклиматического применения (которое, как известно, исключает применение в морских условиях), а надо было сделать двигатель именно всеклиматического применения. Понадобилась новая технология ионного насыщения поверхности, и через несколько лет работы мы в начале 2000-х создали коррозионностойкое покрытие для лопаток компрессора, это конденсационно-диффузионное тонкое покрытие типа СДП11 + ВСДП-20. И научились покрывать детали двигателя по нашей технологии на установке МАП-1М. Лопатки компрессора авиационных ГТД вообще нужно беречь – в ходе операции «Буря в пустыне» 1990–1991 годов выяснилось, что лопатки вертолетного двигателя вообще могут наполовину сточиться буквально за один боевой вылет...

Мы создали ряд покрытий для защиты от коррозии сталей с низкой температурой отпуска, детали из таких сталей используются в двигателе РД-33 МК. Создали покрытие для защиты замков лопаток от фреттинга, тоже оригинальное, шликерное, на основе алюмо-хромофосфатной связки со специальным твердым наполнителем. Разработали процесс алюмо-кобальт-иттрий-силицирования – для повышения коррозионной стойкости деталей точной геометрии (здесь диффузионные слои практически не меняют размер детали). К 2005 году данные разработки были успешно завершены и переданы на завод-производитель этих двигателей ОАО «ММП им. В.В. Чернышева». Мы осваивали на заводе все эти технологии, и там начали производство двигателей для оснащения истребителей МиГ-29 МК. Эта работа имела дальнейшее продолжение, мы ее подали на премию «Золотая идея» и получили эту премию в 2008 году.

К этому времени уже была создана установка МАП-2, а в 2007 году мы сделали установку МАП-3. В отличие от прежних, она снабжена имплантером, ускорителем ионов, обеспечивающим их энергию до 40 КэВ при токе ионов до 40 мА. Ускоритель ионов для МАП-3 разработан нашими коллегами в Екатеринбурге в Институте электрофизики УрО РАН под руководством доктора технических наук Николая Васильевича Гаврилова.

Изменили конфигурацию установки, ее разрядный рабочий объем. МАП-3 позволяет проводить имплантацию поверхности газовыми ионами с указанными выше энергиями и проводить ассистированное осаждение: это когда при обычном осаждении детали, проходящие зону ионной обработки, периодически подвергаются бомбардировке ионами высоких энергий. Карусель вращается, и лопатки или иные детали попадают в данную зону, где поток ионов направлен по касательной к диаметру карусели, входят в зону имплантации и выходят из нее. Это помогает изменить структурное состояние покрытия, потому что благодаря такой бомбардировке меняется его текстура, что в ряде случаев существенно повышает защитные свойства. Например, стандартные покрытия для эрозионной защиты титановых сплавов из нитрида циркония после данной бомбардировки показывают почти удвоенное значение эрозионной стойкости.

Используя установку МАП-3, начали разрабатывать новые процессы, в частности, получение нанослойных эрозионностойких покрытий для лопаток компрессора газотурбинных вертолетных двигателей. Монослойные эрозионностойкие покрытия из нитрида циркония и карбида хрома для лопаток компрессора из титановых сплавов и сталей были разработаны нами в 90-х годах.

Для двигателя самолета МиГ-29 МК мы заменили покрытие лопаток турбины высокого давления СДП-2 + ВСДП-16 на покрытие ВСДП-9 + ВСДП-18, более подходящее для эксплуатации в морских условиях. Это трехслойное конденсационно-диффузионное градиентное покрытие работает при температурах до 1200°С. Кстати, «В» во всех этих аббревиатурах означает «виамовское».

На установке МАП-3 разработали нанослойное эрозионно-стойкое покрытие нитрид титана / нитрид хрома (TiN / CrN), получаем его при ассистированном осаждении. Интересно, что без такого осаждения у этого покрытия эрозионные свойства совсем низкие, а при ассистированном осаждении значительно возрастают.

Как решили проблему вторичной реакционной зоны

И другие работы продолжались. Были созданы покрытия для новых жаропрочных сплавов для монокристального литья. Они безуглеродистые, потому что в монокристаллах нет отдельных зерен, «упрочнять» их границы не надо, карбиды там не нужны, эти сплавы легируются рением или рением и рутением. Но здесь возникла проблема: когда в сплаве отсутствует углерод, нет карбидов, диффузия облегчается и нарушается баланс сплава в поверхностном слое. При этом образуются так называемые топологически плотно упакованные фазы, ТПУ-фазы, которые имеют направленность, перпендикулярную границе раздела сплав – покрытие. По данным наших зарубежных коллег, эти фазы могут до 70% понизить прочность сплава. Поэтому надо было создать барьерные слои, и мы разработали две технологии для их формирования. Одна – для защиты внутренней полости лопаток, это цементация, газовая или порошковая, то есть насыщение поверхности углеродом. Раньше считалось, что жаропрочные сплавы вообще невозможно цементировать, даже ведущие жаропрочники сомневались, а мы доказали, что это возможно. Эту технологию разработал кандидат технических наук Арам Грантович Галоян

Вторую технологию, тоже оригинальную, разработали доктор технических наук Сергей Александрович Будиновский и кандидат технических наук Артем Михайлович Гаямов. Ее суть: когда мы наносим конденсированный слой конденсационно-диффузионного покрытия, то в начале процесса осаждаем это покрытие в среде ацетилена и формируем на поверхности керметный слой, содержащий карбиды хрома и других тугоплавких элементов, входящих в состав жаростойкого конденсированного покрытия (на глубину до 10 мкм), а затем закрываем подачу ацетилена и осаждаем покрытие по серийной технологии. Полученный таким образом слой, содержащий карбиды, служит барьерным слоем для остального покрытия. То есть на границе со сплавом мы наносим сначала керметный слой, а дальше осаждаем уже чистое покрытие. На эту оригинальную технологию, как и на все наши разработки, получены патенты. Так мы решили проблему вторичной реакционной зоны, состоящей из ТПУ-фаз. На фотографиях, полученных с помощью электронного микроскопа, микроструктура таких покрытий выглядит даже красиво, как, скажем, абстрактная живопись, коллекционированием которой я увлекаюсь…

«Всегда приятно быть полезными для производства…»

Одним из последних проектов при моем участии стала работа по разработке теплозащитного покрытия (ТЗП) для лопаток турбины высокого давления (ТВД) для двигателя ПД-14 ближне- и среднемагистрального самолета МС–21. Пермский авиамоторный завод приобрел электронно-лучевую установку фирмы ALD для нанесения керамических слоев теплозащитных покрытий на лопатки турбины высокого давления, а ВИАМ разработал технологию нанесения теплозащитного покрытия. Всегда приятно быть полезными для производства. Правда, что касается нашей лаборатории, за последние годы таких крупных взаимодействий и внедрений было всего несколько. А в 1970-е – 1980-е годы мы, бывало, проводили на заводах половину рабочего времени, были десятки внедрений! Надеюсь, что положение в авиапромышленности начинает выправляться, признаки этого есть. А к работе в больших объемах мы готовы, готовы помогать своим опытом и техникой.

Продолжаются научные проекты в нашей лаборатории, а что касается техники, то с 2009 года в лаборатории идет большая инвестиционная программа. На многие десятки миллионов рублей приобретено исследовательское и технологическое оборудование, по нашим техническим заданиям создаются новые установки, как, например, установка МАП-Р для покрытия роторов, блинков, блисков (это ротора с лопатками, сделанные целиком), блоков сопловых лопаток первой ступени. Или проходная магнетронная установка, в которой четыре камеры стоят подряд: камера загрузки, две камеры напыления и камера выгрузки. То есть можно запускать, так сказать, прямо «с улицы» лопатки, они попадают в камеру загрузки, там проходят термоактивацию, газовую ионную очистку, затем перемещаются в зону напыления, где на них наносятся керамический слой теплозащитного покрытия, далее попадают в камеру выгрузки, где охлаждаются и затем выходят в атмосферу. Сейчас идет монтаж МАП-Р, скоро запуск и ввод в эксплуатацию. Также идет монтаж проходной магнитронной установки для среднечастотного распыления и плазмохимического осаждения керамических слоев теплозащитных покрытий, другой техники.

«Бывают вещи, которые даже в ученые головы поначалу не вмещаются…»

Постоянное обновление научно-технической базы – политика руководства ВИАМ, наш Генеральный директор академик РАН Евгений Николаевич Каблов уделяет этим вопросам очень большое внимание. В 1970-е он работал на нашей территории, мы встречались с ним почти каждый день. И однажды произошла интересная история. Евгений Николаевич занимался модифицированием поверхностей турбинных лопаток при литье. И ему надо было на литейную форму осадить хотя бы тоненький слой металла, который бы потом служил центрами кристаллизации. Была у Евгения Николаевича идея модифицировать сплав с целью размельчения зерна, потому что при литье получалось крупное зерно, это нехорошо для усталостных характеристик лопаток. И надо было разработать технологию, которая позволяла бы модифицировать форму с тем, чтобы при литье были центры кристаллизации и образовывалась структура с более мелким зерном. А в 1977-м году мы уже создали опытную лабораторную установку, и он к нам обратился: помогите нанести металл на восковую модель лопатки, с этой модели металл потом перенесется на форму, поскольку восковая модель вытапливается, а металлическая пленочка остается, и там будут центры кристаллизации… Мы решили попытаться, и Евгений Николаевич был очень удивлен, когда это получилось! Мы и сами были заинтригованы… Да, бывают вещи, которые даже в ученые головы поначалу не вмещаются, хотя они вполне возможны с точки зрения науки. Конечно, металлическая плазма горячая, 10000°С и более, но плотность ее очень мала, и она просто не успевала разогреть воск, тем более, что мы работали в импульсном режиме: дали импульс, подождали, потом еще импульс, опять подождали, и так несколько раз. Вот, говорят: «Яко воск от лица огня», а тут и огонь на воск обрушился, то есть плазма, да еще металл раскаленный, а воск остался цел. Потом и на бумагу осаждали металл таким способом, и бумаге ничего не делалось. Мы и сейчас вспоминаем этот частный, но показательный случай. Но и сегодня Евгений Николаевич в нас уверен, знает, что если за что-то беремся, то непременно это выполним.

«У нас все время что-то делается…»

С тех пор прошло много лет, и у нас все это время что-то делается. Создали участок термодиффузионных покрытий, ионно-плазменный участок, где можно наносить покрытия на большие партии лопаток турбин и компрессоров и другие детали. Сделали проходную установку для нанесения керамического слоя теплозащитных покрытий. То есть подслои ТЗП наносим на установках типа МАП, а керамику уже на этой новой установке. Оснастились вакуумными печами для термообработки полученных покрытий. Приобрели растровый электронный микроскоп для их исследования, оборудование для определения коэффициента теплопроводности керамических слоев теплозащитных покрытий… Лаборатория сейчас может исследовать покрытия на лопатках, наносить покрытия на комплекты лопаток и другие детали двигателя в ходе освоения производства, с последующей передачей всей технологии, оборудования на предприятия-изготовители.

В свое время мы с ведущим инженером Анатолием Ивановичем Соркиным много занимались технологией производства катодов. До 90-х годов было серийное производство трубных катодов, потом его не стало, и наша лаборатория начала производство катодов для поставки их предприятиям-потребителям. Катоды – достаточно крупногабаритные изделия, каждый катод на основе никеля весит 25-26 кг. И в производстве они непросты, надо отливку получить качественную, без пор. В 2014-м году мы поставили заводам отрасли около 140 катодов – на ОАО «ММП им. В.В. Чернышева» в Москве, на Уфимское моторостроительное производственное объединение, на Казанское моторостроительное производственное объединение, Самарский научно-технический комплекс имени Н.Д. Кузнецова, в ОАО «Климов», на Пермский моторный завод...

Я уже рассказывал о первой памятной встрече в ВИАМе, когда мне посчастливилось познакомиться с Алексеем Тихоновичем Тумановым. Довелось работать и с другими видными учеными – очень хорошо знал бывшего директора Радия Евгеньевича Шалина, Николая Митрофановича Склярова, Иосифа Наумовича Фридляндера, Александра Дмитриевича Жирнова… Они и другие наши ученые создали свои школы, сумели передать традиции науки следующим поколениям.

Надеюсь, что и нашей молодежи удастся продолжить достойные виамовские традиции. Замечу только, что надо уметь не только пользоваться прекрасным оборудованием, которого в ВИАМе становится все больше, но и уметь создавать что-то свое. Благо примеры есть. Вот интересная установка, созданная нами для Газпрома еще в 2000-м году для нанесения на лопатки газоперекачивающих агрегатов коррозионно-стойкого и жаростойкого покрытия из сплава СДП-6. Вот четырехкатодная установка ВИАМ–МЭШ-50 для обработки длинномерных деталей. Если в МАПах катод испаряется по кольцу и сам ходит относительно этого кольца вверх и вниз, то здесь катод испаряется по овалу по всей своей высоте, причем вращается относительно этого овала. На этой установке можно делать просто чудеса! Работы бы ей побольше, мы были бы рады заказам, например, от Минэнерго на обработку деталей турбин… Вот магнетронная установка для нанесения керамических слоев УОКС-2, она способна осаждать на детали защитные покрытия из металлов, сплавов, нитриды, карбиды, карбонитриды, оксикарбонитриды… А с будущего года ВИАМ планирует поставлять установки МАП-4 (для бескапельного магнетронного осаждения упрочняющих покрытий) и МАП-5 (для нанесения защитных и упрочняющих покрытий на сопловые блоки ТВД и ТНД, а также на конструкции типа «блиск» и «блинк» турбины и компрессора перспективных газотурбинных двигателей). Так что, уверен, создаваемое нами уже 40 с лишним лет оборудование для нанесения защитных покрытий – это не «боковая ветвь» технического развития, а машины для работы в настоящем и в будущем.

Основные публикации и патенты С.А. Мубояджяна последних лет:

- Мубояджян С.А. Модифицирование металлической поверхности в плазме вакуумно-дугового разряда методом термостимулированной ионной диффузии // Журнал «Металлы», РАН, №6, 2008.

- Мубояджян С.А. Эрозионностойкие покрытия для лопаток компрес-сора ГТД // Журнал «Металлы», РАН, №3, 2009.

- Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Способ получения алюминидного покрытия на изделии из жаропрочного сплава // Патент № 2348739, 10.03.09, Бюл. №7.

- Мубояджян С.А., Галоян А.Г. Способ защиты от высокотемпературного окисления // Патент № 2349678 20.03.09, Бюл. №8.

- Мубояджян С.А., Егорова Л.П. Состав для получения покрытия на деталях // Патент № 2349681, 20.03.09, Бюл. №8.

- Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М. Способ обработки поверхности лопатки ГТД из жаропрочного сплава // Патент № 236870127.09.09, Бюл. № 27.

- Мубояджян С.А., Александров Д.А., Горлов Д.С. Ионно-плазменные нанослойные эрозионно-стойкие покрытия на основе карбидов и нитридов металлов // Журнал «Металлы», РАН, №5, 2010.

- Мубояджян С.А. Ионно-плазменные процессы получения диффузионных алюминидных покрытий. // Журнал «Металлы», РАН, №2, 2010.

- Мубояджян С.А. Эрозионностойкие покрытия из нитридов и карбидов металлов и их плазмохимический синтез // Российский химический журнал, том 54, №1, 2010.

- Будиновский С.А, Косьмин А.А., Мубояджян С.А. Ионно-плазменные покрытия для защиты лопаток промышленных турбин от сульфидно-оксидной коррозии // Научно-технический журнал «Наука и техника в газовой промышленности», №3, 2010 г.

- Muboyadzhyan S.A. Ion_Plasma Processes of the Production of Diffusion Aluminide Coatings // Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2010, No. 3.

- Будиновский С.А, Мубояджян С.А., Косьмин А.А. Патент на изобретение № 2398912 «Покрытие для изделий из жаро-прочных никелевых сплавов и способ его нанесения» // Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской федерации 10 сентября 2010 г.

- Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Галоян А.Г. Патент РФ № 2382830, «Способ алитирования поверхности внутренней полости лопатки турбины из жаропрочного сплава» // Опубликовано 27.02.2010 г. бюл.№6.

- Будиновский С.А, Косьмин А.А., Мубояджян С.А. Патент РФ № 2404286, «Способ защиты лопаток газовых турбин» // Опубликовано 20.11.2010.

- Мубояджян С.А. Защитные покрытия для деталей горячего тракта // Всероссийская научная школа для молодежи «Материалы и энергосберегающие технологии для производства ответственных деталей высокоэффективных газотурбинных двигателей, ГТД промышленных энергетических силовых установок и приводов», сборник лекций, ФГУП «ВИАМ», 2011.

- Будиновский С.А., Гаямов А.М., Мубояджян С.А., Степанова С.В. Ионно-плазменные жаростойкие покрытия с композиционным барьерным слоем для защиты от окисления сплава ЖС36ВИ // МиТОМ, №1, 2011.

- Мубояджян С.А., Луценко А.Н., Александров Д.А., Горлов Д.С., Журавлева П.Л. Исследование свойств нанослойных эрозионностойких покрытий на основе карбидов и нитридов металлов // «Металлы», №4, 2011.

- Кузнецов В.П., Мубояджян С.А. Лесников В.П., Конакова И.П., Петрушин Н.В. Структура и фазовый состав монокристаллического сплава ВЖМ-4 с газоциркуляционным защитным покрытием // МиТОМ, №3, 2011.

- Мубояджян С.А., Галоян А.Г., Будиновский С.А. Патент РФ №2 413 785, «Способ нанесения покрытия» // Опубликовано 10.03.11 г., бюл. №7.

- Александров Д.А., Горлов Д.С., Мубояджян С.А. Нанослойные упрочняющие покрытия для защиты стальных и титановых лопаток компрессора ГТД // «Авиационные материалы и технологии», 2011, №3.

- Мубояджян С.А. Защитные покрытия для деталей горячего тракта ГТД // Все материалы. Энциклопедический справочник, №3, 2011.

- Мубояджян С.А. Защитные покрытия для деталей горячего тракта ГТД // Все материалы. Энциклопедический справочник, №4, 2011.

- Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Ионное травление и модифицирование поверхности ответственных деталей машин в вакуумно-дуговой плазме // Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». Специальный выпуск «Перспективные конструкционные материалы и технологии». 2011.

- Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. «Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД» // Научно-технический сборник к 80-летию ВИАМ.

- Мубояджян С.А., Галоян А.Г. Диффузионные алюминидные покрытия для защиты поверхности внутренней полости монокристаллических лопаток турбин из рений и рений-рутений содержащих жаропрочных сплавов. Часть 1 // Журнал «Металлы», РАН, № 5, 2012.

- Мубояджян С.А., Галоян А.Г. Комплексные термодиффузионные жаростойкие покрытия для безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе // Авиационные материалы и технологии. 2012. №3.

- Muboyadzhyan S.A., Galoyan A. G. Diffusion Aluminide Coatings for Internal Surface of Rhenium and Rhenium Ruthenium Containing Single_Crystal Superalloys Turbine Blades: Part I // Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2012, No. 9.

- Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Heat Resistant Coatings for the High Pressure Turbine Blades of Promising GTEs // Russian Metallurgy, ISSN 00360295. Vol. 2012, No. 1.

- Будиновский С.А., Косьмин А.А., Мубояджян С.А. Покрытия для защиты лопаток промышленных турбин от сульфидно-оксидной коррозии // НефтеГазоПромысловый ИНЖИНИРИНГ, №1, 2012.

- Мубояджян С.А., Азаровский Е.Н. Исследование нового процесса ионного модифицирования поверхности компрессорных сталей в вакуумно-дуговой плазме титана. // Журнал «Металлы», РАН, № 6, 2013.

- Мубояджян С.А., Галоян А.Г. Диффузионные алюминидные покрытия для защиты поверхности внутренней полости монокристаллических лопаток турбин из рений и рений-рутений содержащих жаропрочных сплавов. Часть II. // Журнал «Металлы», РАН, № 2, 2013.

- Muboyadzhyan S.A., Galoyan A. G. Diffusion Aluminide Coatings for Protecting the Surface of the Internal Space of Single_Crystal Turbine Blades Made of Rhenium and Rhenium Ruthenium Containing High Temperature Alloys: Part II // ISSN 00360295, Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2013, No. 3.

- Muboyadzhyan S.A., Azarovskii E. N. New Process of Ion Surface Modification of   Compressor Steelin the Vacuum Arc Plasma of Titanium. // ISSN 00360295, Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2013, No. 11.

- Александров Д.А., Коннова В.И., Мубояджян С.А. Методика испытаний на относительную эрозионную стойкость твердых покрытий ответственных деталей компрессора ГТД // Все материалы. Энциклопедический справочник. №4, 2014.

- Мубояджян С.А., Егорова Л.П., Горлов Д.С., Галоян А.Г., Булавинцева Е.Е. Комбинированное защитное коррозионностойкое покрытие для деталей компрессора ГТД из сталей с низкой температурой отпуска // Журнал «Металлы», РАН, №5, 2014.

- Мубояджян С.А., Ночовная Н.А., Александров Д.А., Горлов Д.С., Патент РФ №2445406 «Способ обработки поверхности изделия из титанового сплава» // Опубликовано 20.03. 2012 г.

- Будиновский С.А., Косьмин А.А., Мубояджян С.А. Патент РФ № 2452793  «Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов». // Опубликовано 10.06.2012 г., бюл. №16.

Интервью провел и подготовил текст к публикации кандидат филологических наук, доцент М.И. Никитин