Яндекс.Метрика

Люди практической науки

22.01.2016

ВИАМ: Научная традиция – от замысла до воплощения

Интервью с профессором, доктором технических наук, главным научным сотрудником лаборатории жаропрочных сплавов ВИАМ Николаем Васильевичем Петрушиным.

Николай Васильевич Петрушин работает во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ) с 1968 года. Его профессиональные интересы лежат в области металловедения литейных жаропрочных сплавов. Именно он создал метод конструирования сплавов, который используют для разработки новых и оптимизации серийных материалов в авиации и космонавтике. Награжден медалью «В память 850-летия Москвы», Золотыми медалями имени академика С.Т. Кишкина и Н.М. Склярова. Удостоен звания «Почетный авиастроитель» и является лауреатом премии Ассоциации «Союз авиационного двигателестроения им. Н.Д. Кузнецова» (АССАД).

«Такие специалисты нам нужны», – сказали мне в ВИАМ и сделали из теплофизика жаропрочника

Еще школьником я буквально «заболел» физикой и решил связать свою профессиональную судьбу с точной наукой. У нас в подмосковной Старой Купавне собралась компания смышленых таких подростков. Мы обменивались научно-популярными журналами «Наука и жизнь», «Техника молодежи», вместе ездили по выходным в Москву на лекции по физике и математике при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова.

Окончив старокупавнинскую школу №22, я подал документы в Московский инженерно-физический институт (МИФИ). Конкурс туда был десять человек на место, поэтому экзамены начинались на месяц раньше, чтобы абитуриент в случае провала успел подать документы в другой вуз. Я прекрасно помню ту пору: тогда в экзаменационной комиссии сидели не простые преподаватели, как сейчас это часто бывает, а доктора наук. Мне досталась задача по силе света, о которой я почти не имел представления. В условии того экзаменационного задания была размерность величины яркости светильника. Однако я сумел вывести формулу, используя эту размерность, хотя задание не решил. Педагог сильно удивился, и, когда вместо двойки за самовольно выведенную формулу поставил три балла, я был счастлив. Но в МИФИ так и не поступил – провалил иностранный язык. Впрочем, желание постигнуть физику меня не оставило, и я, быстро забрав документы, уже без труда поступил в Московский энергетический институт (МЭИ) на теплоэнергетический факультет. Мне досталась такая же нетривиальная задача, которую на этот раз я успешно решил. До сих пор помню слова преподавателя по физике, который, отмечая что-то в своих документах, произнес: «Такие студенты нам нужны!»

Я закончил МЭИ по специальности «Теплофизика». При распределении мне были предложены ЦИАМ, ВИАМ и Теплотехнический институт. Я выбрал ВИАМ, рассудив, что в ЦИАМ придется заниматься в основном тепловыми расчетами газотурбинных двигателей. А я с пятого курса специализировался именно по теплофизическим свойствам веществ и еще с третьего курса проходил постоянную практику в Институте высоких температур, там же диплом и защитил.

ВИАМ принял меня хорошо. Моим наставником стал ведущий специалист в области авиационного материаловедения Дмитрий Андреевич Петров. Как я узнал позже, именно этот человек первым в Советском Союзе начал получать монокристаллические лопатки из жаропрочных никелевых сплавов. Для общей информации: любая «деталь из железа», говоря условно, состоит из множества зерен. А раз зерна – значит, между ними есть граница, и чем меньше этих границ, тем выше жаропрочность материала. Если лопатка поликристаллическая, она состоит из множества зерен по 1–2 миллиметра каждое, и граница между ними – это дефект: при высоких температурах по ним проходит диффузия, и работоспособность детали падает. В связи с чем на повестке стоял вопрос, как создать монокристаллическую газотурбинную лопатку. Именно этим Дмитрий Андреевич и занимался. По его словам, такие, как я, молодые специалисты в ВИАМ очень востребованы, и предложил работать в этом направлении. В то время я считал себя компетентным в другой области и поэтому отказался. Никогда бы не поверил в то время, что через много лет буду иметь дело с этой темой, но сейчас именно этим в ВИАМ я и занимаюсь – созданием монокристаллических сплавов для турбинных лопаток.

Придя в ВИАМ, я поступил сначала в лабораторию физики металлов, которую возглавлял академик Сергей Тимофеевич Кишкин. Вспоминая о нем, моем Учителе, я мысленно повторяю его слова, однажды мне сказанные: «Коля, хорошо, что ты стал жаропрочником, – ведь никого больше нет. Держи крепче это знамя!» Я благодарен ему за это, потому что такая оценка многое значила для меня тогда. Как известно, в середине 1990-х годов (точнее, в 1996 году) положение нашей науки было весьма сложным, и для продолжения исследований от ученых требовалась прежде всего недюжинная сила воли. Поэтому моральная поддержка таких людей, как академик С.Т. Кишкин, была чрезвычайно важна.

Моя карьера началась с должности начальника сектора, в котором занимались определением теплофизических свойств авиационных материалов до предельных температур (пока это 1300°С). Поскольку я был теплофизиком, мне поручили разработать метод определения теплофизических свойств различных сплавов при низких температурах. Тогда мы работали очень плотно по космической тематике, и требовалось узнать свойства материалов при этих температурах. Моей первой задачей являлась разработка установки по определению теплопроводности сплавов (от комнатной температуры до температуры жидкого азота: -196°С).

Проработав в ВИАМ примерно год, в 1969 году я неожиданно получил повестку в армию. В те годы в Советской армии была острая нехватка квалифицированных кадров по обслуживанию авиационной техники, поэтому был объявлен экстренный призыв офицеров запаса. В институте я закончил военную кафедру в звании лейтенанта и приобрел военную специальность авиационный техник самолета–специалист по обслуживанию авиационных двигателей. Отслужив два года, демобилизовался и пришел опять в ВИАМ.

 

Результат самообразования – теплофизические методы для разработки авиационных материалов

Итак, моя научная деятельность в ВИАМ продолжилась, я плотно занялся теплофизическими свойствами металлов и сплавов при высоких температурах. Я попал в группу Александра Вячеславовича Логунова, который, став секретарем комитета комсомола института, поручил мне остаться за главного с «группой» в количестве: я и лаборант.

С металлофизикой я был знаком поверхностно и осознавал, что, если хочу достичь эффективности в работе, необходимо учиться дальше. Я поставил цель: разбираться в металловедении не хуже, чем специалисты после окончания Института стали и сплавов. Каждый вечер после работы, несмотря на наличие двух маленьких детей, я усердно штудировал все, что относится к данному предмету. В 1973 году я решил подавать документы в аспирантуру, чтобы на практике проверить свои теории. Сформулировав тему, мы с руководителем группы А.В. Логуновым пришли к начальнику лаборатории академику С.Т. Кишкину. Идея применить теплофизические методы при разработке авиационных материалов заинтересовала его и получила одобрение. Поскольку методы нами уже были фактически сформулированы, оставалось выбрать объект и применить теорию на практике. После получения первых данных по температурам фазовых превращений в жаропрочных сплавах, которые я показал начальнику сектора А. И. Ковалеву, он засомневался: «Быть не может!» Потом проверили – все может быть!

Математическое планирование эксперимента для создания жаропрочных сплавов 

А еще мне удалось с подачи А.В. Логунова применить в ВИАМ метод математического планирования эксперимента при использовании жаропрочных сплавов (своего рода прообраз создания материала с заданными свойствами). Тогда персональных компьютеров не было, и с этим мне очень помог работавший в ВИАМ Юрий Должанский – известный специалист в области математических методов планирования экспериментов. До этого многие сплавы получали долгим и затратным методом проб и ошибок. Например, выбрали какой-то сплав, сделали, проверили, не получилось – делают снова. При этом в математике и статистике существовали описания методов, которые заранее определяли, как следует провести эксперимент, чтобы получить нужный результат. Этот метод математического планирования эксперимента я и применил в своей диссертации. Мною были получены уравнения, по которым можно спрогнозировать некоторые характеристики будущих сплавов. Надо сказать, этот подход был воспринят, как и все новое, с трудом. Но я с успехом защитился, и более того, те методы пригодились не только для исследования материала, но и для прогноза по включению в технологическую цепочку производства деталей. Вот, допустим, диск турбины, который производится методом деформации: штамповка подогревается при высоких температурах, потом идет под пресс. И оказывается, чтобы в процессе этой деформации диска не образовались трещины или другие дефекты, нужно выбирать специальные температуры. Мой метод определения критических температур в жаропрочных сплавах тут очень пригодился сотрудникам, которые занимались деформацией на комбинате. Этот метод мы вместе с ведущим специалистом ВИАМ в области деформации жаропрочных сплавов Владимиром Георгиевичем Скляренко внедрили на Ступинском металлургическом комбинате. Это была практическая реализация одной из теорий, разработанных в ВИАМ.

Уже ведущим инженером я в 1980 году защитил кандидатскую диссертацию на тему «Исследование влияния легирования на структурную стабильность и свойства высокожаропрочных сплавов». Диссертация была успешно реализована: метод определения критических температур в жаропрочных сплавах был взят на вооружение промышленными предприятиями.

Отдельно отмечу, что кандидатскую диссертацию в ВИАМ в то время готовили, как правило, в течение семи-восьми лет, а иногда и десяти. Для сравнения: в вузе это три-четыре года. То есть по новизне, объему, практическому вкладу уровень кандидатской диссертации в ВИАМ был значительно выше, нежели высшего учебного заведения. Высокие требования к кандидатам заключались еще и в том, что без перспективы практического внедрения о защите даже и речи не было.

Я выступил с инициативой открыть в ВИАМ новое направление исследований с использованием теплофизических методов и математического планирования эксперимента для разработки новых материалов. Получил добро и возглавил данное направление уже в статусе старшего научного сотрудника.

Методы совершенствуются, а задача прежняя – разрабатывать сплавы для двигателей нового поколения

С начала 1980-х годов я занимаюсь сплавами для турбинных лопаток перспективных двигателей. Тогда генеральный конструктор авиационных двигателей академик Архип Михайлович Люлька разрабатывал двигатель нового поколения. Но была загвоздка: для турбинной лопатки этого двигателя, который он сконструировал, ни один существующий в то время материал не подходил по свойствам, соответственно, работа повисла в воздухе.

Перед ВИАМ поставили задачу – разработать такой материал. Научному коллективу (А.В. Логунов, Г.М. Глезер, С.Г. Морозова и др., в том числе я) под руководством академика С.Т. Кишкина удалось создать такой сплав. В ходе поисковых исследовательских работ с использованием математического планирования эксперимента был предложен вариант сплава, содержащий традиционный титан. Однако я доказал, что именно для нужд такого конкретного сплава титан не подходит: он понижает температуру плавления, и в перспективе максимальные свойства сплава будут ниже тех, что мы хотим получить. Это позволило сэкономить время и средства.

В итоге нужный сплав был успешно разработан и получен. Сегодня он является одним из основных материалов, из которого делают турбинные монокристаллические лопатки. При этом наш сплав создан на десять лет раньше аналогичного американского материала. Мы получили авторское свидетельство, что также сыграло свою положительную роль в моей профессиональной деятельности.

Сплав был внедрен в промышленность, и это дало мне существенный карт-бланш при защите докторской диссертации в 1997 году. Конец 1990-х был временем только для научной работы. За несколько лет перед защитой мне удалось обобщить свои наработки и создать тот метод конструирования материалов, который мы и сейчас используем в ВИАМ. Полученные уравнения описывают характеристики и свойства жаропрочных сплавов самого различного класса по химическому составу. То есть можно задать любой химический состав и тут же рассчитать свойство материала. Ведь если известно свойство материала, можно оценить и область его применения. В общем, результатом моей докторской диссертации стала разработка физических основ создания жаропрочных материалов с различными типами структур. Тогда в практику наконец-то вошли персональные компьютеры, и появилась возможность с помощью них создать программу для расчетов по моим уравнениям. В итоге на базе этих уравнений в ВИАМ впервые был внедрен метод компьютерного конструирования жаропрочных сплавов. Применив уравнения, материаловед легко может проверить соответствие материала разработанным ранее критериям отбора. Фактически сплав создается на «кончике пера». С помощью этого метода мы с коллегами разработали уже около 10 разных типов литейных жаропрочных сплавов. Хотя замечу, что первопроходцами по применению компьютерных методов конструирования жаропрочных сплавов стали все-таки японские ученые.

В конце 1980-х – начале 1990-х годов первыми разработанными нами сплавами были сплавы для монокристаллических лопаток турбины авиационного двигателя большой мощности. По рекомендации академика С.Т. Кишкина они были взяты на вооружение промышленным предприятием города Куйбышева (ныне г. Самара). Сплавы обладали оптимальными свойствами, были технологичны и получили высокую оценку академика Н.Д. Кузнецова, который занимался разработкой двигателей для тяжелых транспортных самолетов и бомбардировщиков.

Развитие и широкое применение метода компьютерного конструирования жаропрочных сплавов в ВИАМ началось с 2000 года, когда был создан первый отечественный высокорениевый сплав марки ВЖМ1 (ВИАМ жаропрочный монокристаллический). Потом были разработаны марки ВЖМ2, ВЖМ3 и др. В настоящее время наиболее востребованным в промышленных масштабах является высокотемпературный жаропрочный сплав ВЖМ8. И в этом большая заслуга Генерального директора института Евгения Николаевича Каблова, который внес огромный вклад в развитие этого направления.

Сегодня мы уже закладываем в эксперимент не две-три композиции, а одну – и сразу получаем желаемое. Конечно, колоссальный выигрыш во времени и средствах.

Сегодня стоит задача создать двигатель нового поколения, в котором бы температура газа перед турбиной достигала 2000–2100 К. Пока существуют только прообразы такого двигателя. Максимальные рабочие температуры плавления лопатки из современных жаропрочных сплавов разных производителей составляют примерно от +1350 до +1370°С. Несмотря на систему охлаждения лопатка длительно работает только при температуре до +1100°С. И только наши последние высокорениевые монокристаллические сплавы ВЖМ4, ВЖМ6, ВЖМ8 работают и при более высоких температурах. Эффективность сплавов обеспечивают два дефицитных дорогостоящих вещества: рений и рутений. Рений – это самый редкий на Земле металл. Рутений (элемент платиновой группы) – относится к драгоценным металлам! Следует сказать, что первым легировать высокорениевые жаропрочные сплавы предложил профессор И.Г. Светлов, совместно с которым в ВИАМ и был разработан рений-рутенийсодержащий сплав ВЖМ4. В настоящее время этот сплав применяется для изготовления монокристаллических лопаток турбины новейшего отечественного авиационного двигателя ПД-14.

Так вот, оказалось, что если мы используем эти элементы для легирования сплава, то получаем качественно другие характеристики. Правда, при этом резко возрастает стоимость сплава. Зато метод компьютерного конструирования сплавов, который сегодня доступен, позволяет не тратиться на пробы и ошибки. Задумал – и сделал.

Свои задачи ВИАМ перевыполнил. Дело – за промышленностью

ВИАМ можно сравнить с некой «научной пасекой»! Здесь множество лабораторий и производственных цехов, и каждая эта лаборатория, каждый цех – отдельная наука. Все эти структурные подразделения распределены по своим научным направлениям. Многие специалисты, как говорится, «живут на работе». Если надо, сотрудники лаборатории жаропрочных сплавов остаются и на вторую смену. Бывает, что процесс получения образца длится 20 часов. И его надо сопровождать. И отказов я не припомню.

Каков же процесс создания материала? Сначала специалисты-металловеды при помощи метода компьютерного конструирования разрабатывают составы сплавов, которые мы планируем получить для практического применения в производстве. Затем включаются в работу технологические лаборатории. Сплав выплавляют в специальной вакуумной установке. Чтобы изготовить его, нужно разработать технологию вакуумной выплавки: каким образом загрузить, какие технологические добавки применить и прочее – тут целая наука. В настоящее время в ВИАМ этим занимается доктор технических наук Виктор Васильевич Сидоров. То есть, когда материаловед задумал сплав, он идет к металлургам, а те выплавляют сплав. Создать и выплавить сплав с заданными свойствами – еще только полдела. Далее необходимо разработать технологию литья сначала монокристаллических образцов из него, чтобы испытать их, а затем и самих лопаток. Этим занимаются специалисты по направленной кристаллизации (В.Н. Толорайя, В.В. Герасимов, Е.М. Висик и др.), которые под руководством академика РАН Евгения Николаевича Каблова разработали высокоградиентную технологию монокристаллического литья жаропрочных сплавов различного типа. Они определяют: до какой температуры нагреть материал, расплавить, как кристаллизовать, как изготовить затравку и как ее поместить в керамическую форму, чтобы она передала свое монокристаллическое строение (структуру) отливке сплава.

Когда все сделано, получается цилиндрический образец, который исследуют с помощью электронных микроскопов, рентгеновских аппаратов, теплофизических приборов: определяются микроструктура, структурно-фазовые и теплофизические характеристики.

Из монокристаллической отливки изготавливают образцы для механических испытаний: на разрыв, длительную прочность и др. В ВИАМ существует специальная лаборатория, которая занимается механическими испытаниями. Прежде чем изготовить образец, надо подвергнуть его специальной термической обработке, то есть сформировать ту структуру, которая обеспечит свойства, потому что структуры после литья и термической обработки абсолютно разные.

Если рассматривать в оптический микроскоп (´500) поперечное сечение монокристаллической отливки, можно увидеть – насколько монолитным получился сплав. При этом можно наблюдать красивые «картины» в виде «мальтийских крестов» – это сечения дендритов. Такой рисунок структуры сформирован ветвями одного дендрита, образовавшегося от затравки в процессе направленной кристаллизации, который пронизывает весь монокристалл множеством ветвей первого и второго порядка.

Но кристаллизация происходит не равновесно, и структура монокристаллов после литья получается неоднородной. От неоднородной структуры материала мы избавляемся при помощи высокотемпературной термической обработки. Но добиться полностью однородной структуры пока не получается. Это процесс диффузионный: монокристалл надо долго (до 20 часов) выдерживать при высоких температурах (до 1300–1350°С), что экономически не выгодно. Но и смысла особого в том нет, так как дальнейшая выдержка для устранения неоднородностей не влияет на свойства сплава. После термообработки монокристалла при рассмотрении в электронном микроскопе (´10000 и более) видны микрочастицы и наночастицы интерметаллида размером примерно 400 и 30 нанометров соответственно. Именно благодаря им обеспечивается прочность и жаропрочность материала.

Самая ответственная деталь в турбине – лопатка. Она определяет максимальную температуру рабочего газа на входе в турбину и, следовательно, удельную мощность, экономичность, ресурс и экологичность двигателя. Основа материала современной турбинной лопатки – никель. Максимальная рабочая температура, которую могут выдержать материалы на основе никеля, составляет 1200–1250°С. Выше пока нет. Необходимо создавать материалы с еще более высокой жаропрочностью. Сейчас мои коллеги в ВИАМ под руководством профессора Игоря Леонидовича Светлова в этом направлении и работают. В качестве основы жаропрочного сплава нового поколения используется ниобий. Если у никеля температура плавления 1453°С, то у ниобия она уже 2470°С. Однако сам ниобий непрочный, поэтому его легируют кремнием, вводят добавки тугоплавких элементов (вольфрам, гафний, молибден и др.), чтобы получить так называемый ниобий-кремниевый композит. Но и у такого материала есть недостаток: он не может работать при высоких температурах без окисления, если нет необходимой защиты. Над созданием таких защитных покрытий и поиском их составов ВИАМ сейчас также активно работает. Сейчас наша цель – разработать материалы, которые будут эффективны при рабочих температурах 1300–1350°С. Такую ниобий-кремниевую лопатку не надо будет охлаждать, и следовательно, двигатель будет более экономичен.

Сегодня ВИАМ – это и множество различных лабораторий и направлений, и цеха с высокотехнологичными малотоннажными производствами. Именно лаборатории и производство, которые были созданы и сохранены благодаря Евгению Николаевичу Каблову, позволили развиваться не только ВИАМ, но и авиационной материаловедческой науке России.

Единственный минус, который, к сожалению, относится не только к ВИАМ, – специалистов высокого научного уровня в возрасте 30–40 лет у нас недостаточно. Впрочем, к нам приходит работать много молодежи. Ведь с точки зрения кадрового потенциала любому НИИ хотелось бы большего. Процесс становления профессиональных кадров, к сожалению, не такой быстрый, и на пути молодого ученого возникает большой соблазн сменить науку на более доходную и легкую профессию.

Вместе с тем руководство ВИАМ всячески стремится мотивировать молодых специалистов. В немалой степени этому способствует то, что оснащение ВИАМ новейшим научным и технологическим оборудованием находится на большой высоте. Кроме того, существенно улучшилось и внутреннее обустройство института, условия труда, а также материальное и социальное обеспечение. Несомненно, в этом большая заслуга руководства института.

Кстати, Евгений Николаевич Каблов неустанно напоминает и даже требует от специалистов повышать профессиональный уровень: поступать в аспирантуру, защищать кандидатские и докторские диссертации. При ВИАМ созданы и успешно работают аспирантура, Учебный центр по подготовке магистров, где, кстати, я читаю лекции. Обучающая программа Центра связана непосредственно с теми практическими задачами, которые решает институт. Прослушав теоретический курс, будущие магистры принимают участие в научно-исследовательских работах и другой практической деятельности ВИАМ. Мы также занимаемся переподготовкой специалистов с производств, что сегодня очень актуально.

ВИАМ работает и со школьниками старших классов. Каждый год проводится конкурс «Материаловед будущего», в рамках которого отбираются талантливые ребята, которым предоставляются льготы при поступлении в вуз и дальнейшем трудоустройстве в ВИАМ. Поэтому можно сказать, что в нашем институте созданы все условия и действует четкая система, нацеленная на рост специалистов.

В ВИАМ имеются все условия для плодотворной научной деятельности. Мы значительно опередили время, разработав те материалы, которые, к сожалению, не используются пока отечественной промышленностью. Многое из нашего научного задела пригодилось – например, для создания нового перспективного отечественного авиационного двигателя ПД-14 (под руководством генерального конструктора А.А. Иноземцева) применено много новых материалов, разработанных в ВИАМ. Сейчас закончена большая серия опытных работ по материалам и технологиям для создания российского вертолетного двигателя, которые уже опробованы на машиностроительном предприятии в Санкт-Петербурге. Осталось запустить их в производство.

Свою задачу ВИАМ, можно сказать, перевыполнил. Не было еще такого в истории института, чтобы она оказалась не по силам. Дело теперь – за промышленностью. Приведу знаковый пример из истории ВИАМ. Великая Отечественная война существенно затормозила развитие материаловедческой науки в СССР. Но в конце 1940-х годов Сталиным была дана установка на разработку материалов для лопатки реактивного двигателя. К тому времени немцы и англичане уже создали свои реактивные двигатели. СССР в этом плане запаздывал. И тогда Сталин сказал: «Кишкин создаст материал лучше, чем английский!»

Имевшиеся в то время оптические микроскопы не позволяли детально разглядеть всю структуру жаропрочного сплава. Тем не менее механизм эффективности материала был разгадан. С.Т. Кишкин совместно с коллегами (в их числе химик Наталья Ильинична Блок), разработали метод физико-химического фазового анализа. Они взяли стружку из оригинального материала, подобрали реактивы и растворили в них эту стружку. Затем собрали выпавший в процессе реакции темный порошок и определили его состав. И оказалось, что это специальная фаза на основе интерметаллида Ni3Al. Именно открытие этого химического соединения, получившего название γʹ-фаза, стало прорывом в разработке отечественных жаропрочных никелевых сплавов и, следовательно, авиационном двигателестроении. В дальнейшем этот метод получил развитие в работах Г.И. Морозовой при исследовании монокристаллических сплавов. Задание было выполнено: разработаны первые советские жаропрочные никелевые сплавы ЭИ435 и ЭИ437, из которых путем деформации изготавливали турбинные лопатки и диски реактивных двигателей.

ВИАМ разрабатывает и технологическое оборудование, например современные автоматизированные установки для выплавки жаропрочных сплавов и литья монокристаллических лопаток. То есть научные разработки и производство основаны не только на закупленном технологическом оборудовании, но и сам ВИАМ обеспечивает себя таковым. В этом смысле ВИАМ уникален: нигде в мире нет такого института, где все было бы сосредоточено на выполнении одной задачи – создании всего комплекса материалов для авиационной техники. Таким образом, в ВИАМ налажено эффективное производство полного цикла. Я бы сказал, в институте живет собственная научная традиция – разработка материалов и технологий от замысла до воплощения. О качестве этой традиции говорит другая замечательная традиция: вся отечественная авиакосмическая техника на 95% сделана из материалов, разработанных в ВИАМ.

Интервью провела и подготовила Светлана Офитова.