В конце июня компания Shanghai Ranking представила один из самых авторитетных рейтингов мира по предметным областям за 2020 год. В Шанхайском глобальном рейтинге наш классический университет, среди прочих высоких позиций, занял третье место по… металлургии! Это уникальное достижение стало возможным благодаря профессиональному вниманию к этому направлению со стороны проректора по научной и инновационной деятельности профессора Александра Борисовича Ворожцова и работе нескольких команд под руководством молодых ученых ТГУ.
Сегодня мы встретились с кандидатом технических наук, заместителем директора НОЦ «Аддитивные технологии» Владимиром Промаховым. Это имя можно встретить во многих новостных выпусках на нашем сайте: работу Владимира и его группы постоянно поддерживают российские фонды и стипендиальные программы. Мы попросили рассказать, чем сейчас занимается команда и почему аддитивные технологии стали таким важным объектом для науки.
– Как же получилось, что классический ТГУ обошёл технические вузы страны и попал на такие высокие позиции по направлению «металлургия»?
– Это стало возможным благодаря многолетней работе целого ряда коллективов Томского государственного университета. За прошедшие 10 лет было реализовано несколько ключевых проектов по направлению «металлургия», были развиты научные подходы к получению наноструктурных металломатричных композиционных материалов на основе легких сплавов. Далее это направление «выросло» и была сформирована небольшая научная группа, работа которой сфокусирована на аддитивных технологиях. Тем не менее, мы остаемся единым большим коллективом, способным решать масштабные задачи в области металлургии в целом.
– Давайте сначала разберёмся, что такое аддитивные технологии.
– Давайте! Аддитивные технологии начали у нас развиваться примерно с начала 2000-х: «игрушечные проекты», в которых не ставились серьёзные задачи, переросли в промышленные 
буквально лет за десять. Сегодня существует бесчисленное количество принтеров-машин для аддитивного производства из керамики, полимеров, композитов, металлов, из порошкового материала и из полимерной нити. Аддитивные технологии уже реально могут работать в промышленности, причём, в совершенно разных её областях: автомобиле-, авиа- и ракетостроении (производство внешних и внутренних автомобильных частей, элементов корпуса самолётов и ракет); добыче природных ресурсов (изготовление газо- и нефтедобывающего оборудования); архитектуре и дизайне интерьеров (создание элементов конструкций зданий и мебели); медицине (печать имплантатов) и лёгкой промышленности (производство обуви, аксессуаров, ювелирных украшений). С помощью аддитивных технологий создаются уникальные вещи, которые невозможно отлить. Одно из их преимуществ – возможность топологической оптимизации и бионического дизайна.
– А это что такое?
– Бионический дизайн связан с созданием предметов, формой и свойствами напоминающих объекты живой природы. Топологическая оптимизация – это создание более лёгкого элемента любой конструкции за счёт исключения частей, не несущих функциональной нагрузки. Для этого разрабатываются специальные математические модели, в которые закладываются параметры материала и нагрузок (растягивающие, сжимающие, изгибающие). Они помогают «нарисовать» картину максимальной локализации напряжений. Именно в этих местах материал остаётся в большом количестве, чтобы вся конструкция выдерживала нагрузки, а всё остальное, лишнее, убирается.
– И всё же, в чём заключается суть этих аддитивных технологий?
– Они появились из технологий порошковой металлургии, потому что для производства любого элемента в данном случае нужно сначала взять сплав, превратить его в порошок, затем поместить его в специальную машину лазерного выращивания. При этом у каждого производителя машин и лазеров, как и у производителей порошков, разные параметры их продукции. Большое количество сочетаний таких параметров оказывает влияние на качество конечного изделия. Главный вопрос пока остаётся без ответа: какие свойства должен иметь конкретный элемент, который мы хотим поставить, например, в самолёт? Это сильно усложняет вывод применения аддитивных технологий в массовом производстве. При внедрении любого материала в промышленную сферу необходима нормативная документация, которая очень чётко представляет характеристики этого материала: насколько он прочный, твёрдый, упругий и так далее.
Тут стоит вернуться немного назад и уточнить, что термин «аддитивный» появился от английского слова «add» (добавлять): изделие получается не методом вычитания металла из куска, а 
методом добавления металла слоями с последующим их склеиванием. Это позволяет получить высокий коэффициент его использования – нет отходов в виде стружки. Но при этом, когда металл слой за слоем накладывается, появляются поры, напряжение и несплавление. Всё это – дефекты, которые трудно контролировать, при этом они очень сильно влияют на свойства изделия.
Именно изучением параметров и свойств материалов, получаемых при их комбинациях, мы и занимаемся. С точки зрения фундаментальной науки мы формируем базу знаний о структуре и свойствах этих материалов.
– Будет ли эта проблема решена в ближайшем будущем?
– Над такой нормативной документацией уже начали трудиться лет десять назад за рубежом и лет пять назад в России. Это очень долгий и тяжёлый труд, результатом которого должно 
стать появление стандартов на порошки и на методы производства. На данный момент уже регламентировано изготовление жаропрочных сплавов, необходимых в высокотехнологичных областях, таких как авиастроение и космическая отрасль.
– Давайте теперь вернёмся к тому, с чего вы начинали свой рассказ: изучению вами метало-матричных композиционных материалов. Что это такое?
– Композиты – это искусственно созданные материалы из неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов. Все знают, что «композиты – это хорошо», так как по свойствам они превосходят однородные материалы. Проблемой, над решением который постоянно работают в металлургии, является получение ещё более совершенных композитов. Такая же цель и в наших исследованиях: получить изделия, которые могут работать при очень высоких температурах и вибрационных нагрузках, например, в авиационных двигателях.
Основываясь на двадцатилетнем опыте наших коллег, которые занимались металлургией в ТГУ, мы создали уникальные композиты. Представьте себе порошок (мы помним, что аддитивные технологии связаны с их использованием), в котором каждая частица размером в 50 микрон внутри себя содержит равномерно распределённые частицы керамики размером в 2 микрона! Смесь наших композиционных порошков с порошками металлов попадает в принтер, плавится и превращается в конструкцию с абсолютно новыми качествами: повышенной твёрдостью, износостойкостью и пределом прочности. Последнее очень важно с точки зрения облегчения конструкции: чем прочнее материал, тем более тонкой и лёгкой можно сделать деталь для самолёта или ракеты.
Ещё одно достижение нашего большого коллектива – создание лигатур для металлургической индустрии. Лигатуры – это материалы, используемые как добавки при выплавке основных сплавов сталей, железа, никеля и так далее. Наши лигатуры при выплавке никелевых сплавов (нержавейки) повысили в них содержание хрома от 20% до 40% (это усилило жаропрочность) и ввели небольшое количество азота (он повысил прочность). Получился сплав с потенциалом эксплуатации до 1 500 градусов, а таких просто не существовало раньше.
В следующем выпуске мы продолжим рассказ Владимира Промахова о работе с аддитивными технологиями в ТГУ.
Редакция блога