|
Представленный Справочник создан сотрудниками ЦНИИ КМ «Прометей».
Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» является одним из крупнейших материаловедческих центров страны. Он начал свою деятельность в 1939 г. с решения одной из сложнейших задач своего времени — создания высокоэффективной брони для легендарных танков Т-34 и КВ. С 1947 г. в институте были развернуты широкомасштабные работы по созданию материалов для судостроения с целью обеспечения прогрессивными материалами и технологиями строительства отечественного флота. Это материалы и технологии сварки для легких крейсеров проекта 68-бис, высокопрочная сталь для корпуса первой атомной подводной лодки «Ленинский комсомол», титановые сплавы для первой в мире цельнотитановой подводной лодки, до сих пор являющейся абсолютным рекордсменом в скорости подводного хода, морские коррозионностойкие алюминиевые сплавы для кораблей на воздушной подушке и подводных крыльях.
Из материалов, созданных в ЦНИИ КМ «Прометей», построен весь отечественный Военно-морской флот, большое число гражданских судов различного назначения, в том числе атомных ледоколов, судов арктического плавания, танкеров, а также объекты морской техники, предназначенные для разведки и добычи углеводородов на континентальном шельфе России.
В последние годы отход от отраслевых ограничений и переход к межотраслевому принципу (проведение научно-исследовательских и опытно-промышленных работ для ряда отраслей экономики страны) оказали благотворное влияние на все традиционные направления деятельности института. И, главное, появились новые современные прорывные научные направления. К ним, безусловно, можно отнести важнейшие инновационные проекты государственного значения «Металл», «Магистраль», «Экстрим» и др.
При работе по проекту «Металл» был использован накопленный институтом богатый опыт по созданию корпусных сталей, путей повышения их хладостойкости. Это было особенно важно, т. к. разрабатываемые материалы предназначались в основном для морских конструкций, эксплуатирующихся в экстремальных арктических условиях (температура до –40 °С, статические, циклические и динамические нагрузки от ветра, волн и др.). Были найдены, проанализированы и предложены новые пути создания практически однородной структуры в низколегированной стали при термомеханической обработке.
К решению этой проблемы были привлечены ведущие материаловедческие институты страны — ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина, Институт металлургии РАН им. А.А. Байкова, Институт физики металлов Уральского отделения РАН, Санкт-Петербургский политехнический университет и ряд других. Трудно переоценить роль Череповецкого металлургического комбината ОАО «Северсталь» и ОАО «ОМЗ-Спецсталь», которые принимали активное участие в отработке новых технологий, выполнили реконструкцию ряда важнейших агрегатов, что позволило автоматизировать системы управления процессами выплавки, термической и термомеханической обработки и обеспечить получение стали с высокими потребительскими свойствами.
Совместные усилия не пропали даром. Новое семейство хладостойких сталей по совокупности технологических и механических свойств не имеет равных в мире.
В настоящее время Институт совместно со своими стратегическими партнерами (ФГУП ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина, ОАО «Северсталь», ОАО «Ижорский трубный завод», ОАО «ВНИИСТ» и др.) завершает работу по проекту «Магистраль», обеспечив создание сталей и технологии изготовления штрипса для толстостенных морских и наземных трубопроводов большого диаметра, вплоть до Х80–Х100, отличающихся высокой надежностью и работоспособностью.
Значительный прогресс достигнут институтом в создании немагнитных судостроительных сталей, легированных азотом. Многим специалистам хорошо известны те серьезные трудности, возникщие при эксплуатации сварных корпусов, изготовленных из маломагнитных сталей, в основу которых была положена система легирования аустенита углерод—марганец. Наиболее опасная форма коррозии — коррозионное растрескивание под напряжением в морской воде — сделала практически невозможным широкое применение сталей, легированных марганцем. Поэтому было решено, что направление развития в сторону азотсодержащих аустенитных сталей будет наиболее эффективным и целесообразным. Действительно, выполненные за последние годы научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы и промышленное опробование доказали возможность использования этого класса стали в ряде гражданских и оборонных отраслей промышленности.
Развитие новых конструкционных материалов, безусловно, невозможно, если ему не соответствует адекватное развитие технологий их изготовления. Одно из важнейших достижений в этой области — замена выплавки корпусных сталей методом электрошлакового переплава на внепечную обработку стали. В результате при сохранении высокого качества стали, присущего методу ЭШП, получен большой экономический и геополитический эффект.
Особое место среди главных научных направлений Института занимают титановые морские сплавы. Этот класс материалов характеризуется высокой коррозионной стойкостью в самых сложных условиях эксплуатации, превосходной свариваемостью без охрупчивания зоны термического влияния, отсутствием водородного охрупчивания, высокой хладостойкостью.
Надо отдать должное руководителям этого направления, и в первую очередь недавно ушедшим от нас Борису Борисовичу Чечулину и Сталь Сергеевичу Ушкову. Усилиями коллектива под их руководством дана путевка в жизнь морским титановым сплавам для кораблей и других сложных сварных инженерных сооружений, разработаны сплавы для поковок и отливок. Освоен широчайший сортамент — от тонкой фольги до крупногабаритных листов и плит. Особо следует отметить применение титановых сплавов в атомной энергетике. Широко известно, что только благодаря использованию в корабельных парогенераторах сплавов, разработанных Институтом, удалось радикально решить проблему ресурса транспортных АЭУ. Проводимые в текущем десятилетии исследования активируемости и радиационной стойкости титановых сплавов показали, что этот материал может быть в дальнейшем широко использован для корпусов реакторов, парогенераторов, теплообменников, работающих при температуре до 400 °С.
Переходя к научному направлению — морским алюминиевым сплавам, нужно сказать, что мощным стимулятором их развития явилась потребность в скоростных судах. Действительно, создание таких судов, возможное только на динамических принципах поддержания (ДПП), потребовало резкого снижения массы корпуса. Существовавшие в тот период алюминиевые сплавы не подходили для этой цели из-за низкой коррозионной стойкости, особенно в районе сварного соединения. Условия эксплуатации алюминиевых сплавов в конструкции кораблей с динамическими принципами поддержания требуют от таких сплавов, помимо комплекса традиционных механических свойств, высокой усталостной прочности на воздухе и в морской воде, а также способности хорошо свариваться и сопротивляться коррозионным повреждениям.
При создании сплава на основе системы Al—Mg исследователи помимо широкого круга собственных разработок опирались на большой опыт Всесоюзного института авиационных материалов (ВИАМ). Созданный морской алюминиевый сплав 1561 получил очень широкое распространение в конструкциях скоростных судов — около 1000 судов на подводных крыльях и воздушной подушке.
Следующим шагом в этом направлении явилось легирование термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов скандием. В этом случае существенно улучшаются механические и технологические свойства, что дает возможность перейти к внедрению новых типов полуфабрикатов. Совместные проработки с ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова показали возможность применения облегченных панелей и, таким образом, создания новой технологии постройки судов. В свою очередь, новые объемные панели требуют использования новых видов сварки, и в первую очередь сварки трением с перемешиванием (СТП).
Особое место среди работ Института в области неметаллических материалов занимают полимерные композиты для узлов трения, вибродемпфирующие материалы и сферопластики.
Повышение экологических требований к среде обитания человека потребовало новых решений и в триботехнике. Этот очень важный вопрос подробно анализируется в очерке об использовании полимерных композитов для узлов трения.
Исключение масляной смазки, традиционно используемой в узлах трения из бронзы и баббита, и переход на водяную смазку потребовали создания новых полимерных материалов. В этом ряду, после широкого круга исследований, прекрасные триботехнические свойства показал эпоксидный углепластик марки УГЭТ. Длительные стендовые испытания еще раз подтвердили, что этот материал незаменим для тяжелонагруженных низкоскоростных корабельных подшипников и в узлах трения гидротурбин.
Повышение скорости работы подшипников выявило необходимость замены матрицы полимерного композита с эпоксидной на фенольную, появился новый фенольный углепластик марки ФУТ.
За последнее десятилетие оба углепластика получили самое большое распространение. Подшипники из углепластика УГЭТ успешно эксплуатируются на подводных и надводных кораблях, пассажирских скоростных судах и паромах, в узлах трения 50 гидростанций во многих странах мира. Широкое применение в судо-, гидротурбо- и насосостроении находит и углепластик ФУТ. Очень важными являются работы по модификации антифрикционных углепластиков. Модификация поверхности композита позволяет решить проблему работоспособности в паре с различными контртелами. В связи с этим разработчики изучают воздействие на триботехнические характеристики порошков металлов, фторопластов, т. е. наномодификацию поверхности трения.
Переходя к полимерным вибропоглощающим материалам и материалам для глубоководной техники — сферопластикам, следует отметить, что разработка как этих, так и триботехнических материалов была начата еще в прошлом столетии в стенах Центрального института технологии судостроения. После перехода большой группы разработчиков в наш Институт эти работы были продолжены и существенно расширены.
Проведенные в тесном сотрудничестве со специалистами-акустиками исследования привели к разработке полимерного материала «Випоком», который получил большое практическое применение для различных судовых систем. Как и в случае триботехнических материалов, существенно новый качественный уровень этого материала в последние годы был достигнут при модификации молекулярных параметров структур олигомерных эпоксидных композиций. Это позволяет использовать шумопоглощающие материалы как внутри судовых помещений, так и для наружных конструкций.
Сферопластики — легкий высокопрочный композиционный материал, без которого невозможно обеспечить плавучесть глубоководной техники. На пути их создания главной задачей являлось получение нового типа микросфер. Это было успешно решено в тесном сотрудничестве с ВНИИСПВ НПО «Стеклопластик». Из двух рецептурно-технологических вариантов (литьевого и пропиточного) был выбран первый, обеспечивающий возможность формировать блоки плавучести до 5 м3.
Еще в 1980-е гг. Институт развернул работы по совершенно новому направлению создания наноматериалов и нанотехнологий. Одним из важнейших событий в жизни Института по этому направлению, безусловно, явились работы по созданию наноцентра. Федеральное агентство по науке и инновациям по результатам конкурса определило Институт как головную организацию отрасли по разработке конструкционных наноматериалов. Уже работает комплекс № 1, обеспечивая широкий круг исследований по моделированию, исследованию структуры и свойств металлических и полимерных конструкционных наноматериалов. Обширная инфраструктура центра, богатый инструментарий позволяет Институту уже сейчас широко его использовать практически по всем основным научным направлениям. Целый ряд исследований («Магистраль», немагнитные материалы, полимерные композиты, функциональные наноматериалы и др.) были бы немыслимы без использования возможностей наноцентра.
Очень важны работы в области компьютерного моделирования. Эти исследования открывают возможность моделировать структурные и фазовые превращения и, естественно, вмешиваться и изменять целый ряд параметров наноматериалов, добиваясь оптимальных технологий их получения.
Использование нанотехнологий тесно связано с развитием метрологической службы для обеспечения единства измерений параметров наноматериалов.
Наряду с проведением работ по конструкционным наноматериалам Институт уже давно и успешно разрабатывает и функциональные покрытия.
Покрытиям — инжинирингу поверхности в различных отраслях промышленности в мире принадлежит 80 % от всей современной нанопродукции. Вместе с тем функциональные материалы и покрытия имеют свою ахиллесову пяту — влияние повышенной температуры (рекристаллизация и резкое снижение потребительских качеств). Поэтому в Институте развиваются методы, исключающие этот процесс в конечном продукте. Это механохимический синтез, контролируемая кристаллизация из аморфного состояния, ионно-плазменное и магнетронное осаждение и ряд других процессов. Функционально-градиентные наноструктурированные покрытия широко исследуются в целом ряде передовых и конкурентоспособных направлениях. Например, с применением метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления разработана технология получения нанокатализаторов, используемых для получения водорода. Совместно с холдинговой компанией «Ленинец» нанокатализаторы успешно испытаны в макетных образцах термохимических реакторов. Следует также упомянуть создание функциональных наноматериалов для систем защиты от электромагнитного излучения — магнитных экранов. Их применение (в виде накидок, защитной одежды) позволяет снизить магнитное поле до безопасного уровня. Защита силовых кабелей позволяет размещать чувствительное электронное оборудование в непосредственной близости от кабельных трасс.
Значимым событием в истрии развития Института, безусловно, является образование Центра коллективного пользования (ЦКП). Традиционно, более 40 лет в структуре Института существовало отделение, объединяющее в себе ряд лабораторий, располагающих оборудованием для анализа физических, химических, механических и других свойств материалов. Научно-исследовательские подразделения Института тесно сотрудничали с этим отделением при выполнении широкого круга опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ.
Это «лабораторное» отделение и послужило прототипом будущего центра коллективного пользования (ЦКП) «Состав, структура и свойства функциональных и конструкционных материалов». В настоящее время ЦКП оснащен уникальным исследовательским и испытательным оборудованием. Центр объединяет 12 лабораторий и испытательных стендов по направлениям:
- электронно-зондовая и световая микроскопия;
- химико-аналитические, теплофизические и магнитные измерения;
- стандартные и прецизионные механические испытания, а также стенды для коррозионных и климатических исследований;
- радиационное материаловедение, рентгеноструктурный анализ и неразрушающий контроль.
Без этого современного инструментария, без высококвалифицированных специалистов Центра невозможно было бы решать сложные материаловедческие задачи, поставленные перед Институтом.
Справочник создан сотрудниками Института — прекрасными людьми разных поколений. Их фамилии читатель найдет в разделах Справочника. Эти люди осуществляли конкретные разработки, прикладывая свой интеллект, упорство, все свои душевные силы, продолжая традиции, заложенные основателями Института А.С. Завьяловым и Г.И. Капыриным, ведущими учеными, имена которых навечно вошли в семидесятилетнюю историю Института: А.С. Крошкиным, А.С. Юрьевым, С.И. Сахиным, Л.В. Грищенко, А.Я. Борисовым, Л.С. Морозом, С.С. Шураковым, А.Л. Немчинским, В.В. Ардентовым и многими другими. Благодаря совместным усилиям ученых разных поколений, ЦНИИ КМ «Прометей» превратился в крупнейший материаловедческий центр, широко известный как в нашей стране, так и далеко за ее пределами.
И.В. Горынин,
академик РАН
НАЗАД |
