Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Всі елементи літаків, що базуються на палубах авіаносців, вимагають надійного захисту від корозії. На фото: літаки вертикального зльоту Як-38 справно служать на флоті з 1970-х років.
Нова будівля випробувального центру ВІАМ в Геленджику
У випробувальному центрі ВІАМ в Геленджику проходять натурні випробування стійкості матеріалів в умовах вологого морського клімату. Частина зразків виставлена на відкритому майданчику, інші відчувають під дахом.
Співробітники інституту авіаційних матеріалів проводять експертизу стану металу статуї "Робітник і колгоспниця", створеної В. І. Мухіної для павільйону Радянського Союзу на Міжнародній виставці в Парижі в 1937 році.
Уражені корозією ділянки деталей "Робочого і колгоспниці" на звичайному фото майже не видно, а у відбитому світлі виглядають яскраво-червоними.
<
>
Лабораторія корозії і захисту металів увійшла до складу інституту авіаційних матеріалів вже в момент його освіти, а створена була навіть раніше - в 1927 році, ще в ЦАГІ.
Першим керівником лабораторії став відомий радянський металознавець і корозіоністів Г. В. Акімов.
Одного разу, перебуваючи у відпустці на Чорному морі, Акімов звернув увагу на те, що занурений в воду алюміній в контакті зі сталлю розчиняється набагато активніше, ніж сталь. І Акімов прямо тоді на місці взявся ставити досліди, які потім лягли в основу теорії багатоелектродних корозійних процесів. Ця теорія дозволила розробити цілу систему захисту для будь-яких металевих матеріалів. З ініціативи Акімова під егідою АН СРСР на Баренцевому і на Чорному морях, в інших районах країни було створено мережу корозійних кліматичних станцій для випробування матеріалів в натурних умовах. Мережа ця проіснувала до початку 1990-х років.
Підвищення корозійної стійкості матеріалу можна добитися декількома способами. В першу чергу її визначає склад матеріалу. Але не менший вплив чинять і способи термічної і механічної обробки, наявність і властивості покриттів і навіть конструктивні особливості готового виробу, включаючи його герметичність і режими роботи. Для правильної і довгої служби вироби дуже важливо створити такі умови, щоб можна було нанести на нього захисні покриття під час виготовлення, обслуговувати деталі і контролювати їх стан в процесі експлуатації.
Як часто трапляється в техніці, поліпшення одних властивостей матеріалу призводить до погіршення інших. Так і з корозійної захистом: підвищення хімічної стійкості матеріалу може знизити механічну міцність виготовлених з нього деталей. Наприклад, при анодуванні - нанесенні на металеві деталі анодно-окисних покриттів - збільшується шорсткість деталі. Іноді досить значно: наприклад, якщо після механічної обробки деталь мала 6-й клас поверхні, то після анодування клас знижується до 5-го, а то і до 4-го. Може бути, це і не дуже страшно, якби зниження чистоти обробки не зменшувало, причому досить істотно, втомну міцність матеріалу.
Традиційно для захисту сталевих деталей застосовують покриття на основі кадмію. Кадмій і сам по собі токсичний, але довгий час для кадмирования використовували ще й дуже шкідливі ціанисті сполуки. Зараз постало питання про відмову не тільки від ціанідів, а й від кадмію взагалі. В Європі вже прийнято рішення повністю заборонити його застосування на нових літаках. Зате у кадмію є чудова властивість: по відношенню практично до всіх конструкційних сплавів він має властивості анода; отже, при попаданні вологи покриття розчиняється, а основний метал не страждає. Пропоновані багатьма фірмами покриття на основі нікелю або сплаву цинку і олова є катодними і хімічно не захищають основу. Такі покриття мають скоріше декоративний характер. Знаючи це, ми розробили рецептури нових, виключно надійних покриттів. Зараз поки рано говорити про їх складі: рецептура і технологія нанесення проходять стадію патентування. Можна сказати тільки, що одне з покриттів зроблено на основі сплаву, а інше - багатошарове. Шари перекривають пори один одного, і в результаті захисні властивості виходять навіть вище, ніж у класичного кадмію. Деякі зарубіжні фірми, в тому числі "Ербас", вже проявили до них інтерес. Вони теж наполегливо шукають заміну кадмію.
У лабораторії йдуть роботи по створенню покриттів не тільки для сталей, а й для титану, а також і для високоміцних алюмінієвих сплавів. Для титану, втім, захист від корозії не настільки важлива: цей метал дуже корозійностійких. Але він погано забарвлюється - майже у всіх видів фарб погана адгезія до нього. Не так давно вдалося створити покриття, яке дозволяє фарбувати титан.
Для захисних покриттів в авіації традиційно широко використовується хром. Але і хром шкідливий для здоров'я, він є мутагенів, алергеном і канцерогеном. Норми по гранично допустимих концентрацій цього металу надзвичайно жорсткі. Хоча стосуються вони в основному шестивалентного хрому. Тривалентний ж хром куди більш "доброзичливий".
У співпраці з Інститутом фізичної хімії РАН на основі тривалентного хрому розроблені нові покриття. Виявилося, що вони мають навіть кращі властивості, а наносяться так само, як і "старі", - гальванічним способом. Плівка з тривалентного хрому має аморфну структуру (на відміну від кристалічної у шестивалентного хрому). Її твердість майже на 20% вище, і, найголовніше, вона не знижує втомних характеристик основного металу. І цим покриттям дуже зацікавилася фірма "Ербас". Наша лабораторія в Ульяновську зараз досить успішно розробляє технологію нового покриття.
Корозійна стійкість матеріалу може залежати від технології його виробництва. Ось приклад. Деякий час назад великою популярністю в авіабудуванні користувалися так звані пресовані панелі. Для їх виготовлення злиток алюмінієвого сплаву в розігрітому стані піддають обробці тиском, і отримують практично готову деталь. Привабливість такого методу в тому, що, з одного боку, деталь вимагає мінімальної механічної обробки, а з іншого - набуває високу міцність. І все було б добре, якби не корозія. Структура матеріалу після обробки тиском стає шаруватої, і це визначає високі механічні характеристики матеріалу. Але ця ж шарувата структура схильна до так званої расслаивающей корозії. На жаль, такий вид корозійного руйнування зупинити не вдається: якщо почалася расслаивающая корозія, то деталь необоротно зростає в товщину і катастрофічно втрачає міцність. Щоб попередити виникнення подібного руйнування, доводиться вдаватися до великої кількості трудомістких додаткових заходів щодо захисту вже виготовлених деталей.
Не всі дослідження можна провести в закритих приміщеннях. Необхідні й так звані натурні випробування, в ході яких зразки матеріалів, а іноді і готові вироби виставляють на спеціально обладнані відкриті майданчики і витримують протягом декількох років. Такі дослідження дають незамінні відомості про довговічність матеріалів в природних умовах.
Інститут має кілька власних майданчиків для натурних випробувань: в Геленджику - для оцінки впливу теплого вологого морського клімату; в околицях Конакова досліджується вплив помірного клімату в заміських умовах, а в Москві - в умовах промислового мегаполісу. Крім того, інститут орендує кілька кліматичних майданчиків у академічних інститутів, в тому числі в Мурманську - для досліджень в умовах морського холодного клімату.
Дослідження, проведені в ВІАМ, дозволили розробити комплексну систему захисту для забезпечення експлуатації літаків до сорока років. За цю роботу в 2001 році колектив з 15 осіб отримав премію уряду Росії. Випадок воістину унікальний: ще жодного разу премій за корозійні дослідження уряд не вручав.
Розповідати про корозійних дослідженнях можна нескінченно. Всі матеріали, що створюються в ВІАМ, так, мабуть, всі матеріали, використовувані при будівництві літаків і вертольотів взагалі, досліджуються на корозійну стійкість в нашій лабораторії.
Але нам доводиться мати справу не тільки з авіаційними матеріалами. Зараз лабораторія проводить обстеження скульптури "Робітник і колгоспниця". Споруда простояла під відкритим небом понад 70 років і, хоча виготовлено з нержавіючої сталі, виявилося грунтовно зіпсованим. Фігури зібрані, як з мозаїки, з невеликих тонких сталевих листів, скріплених точковим зварюванням. За час існування скульптуру тричі розбирали; окремі фрагменти втрачені. Коли на Паризькій міжнародній виставці в 1937 році після перевезення з СРСР монумент збирали, деякі частини, як кажуть, "не зійшлися", і довелося на місці додавати кілька елементів. На жаль, серйозних "болячок" на тілі робочого і колгоспниці досить багато. Здавалося б, можна просто замінити дефектні елементи їх точними копіями, але насправді робити цього не можна. Якщо замінити більше 30% оригінальних елементів, твір перестане бути авторським, тобто втратить свою історичну і художню цінність. У зв'язку з цим деякі "виразки" доведеться заліковувати, не замінюючи листів, вилучаючи уражені ділянки і вварівая лазерним зварюванням невеликі латки. Спільно з нами по цій темі працює лабораторія неруйнівних методів контролю. Її співробітники розробили оригінальний метод фотографування уражених корозією ділянок. В результаті на кольоровому знімку все уражені місця виходять пофарбованими в яскраво-червоний колір. Для проведення повного аналізу стану скульптури нам довелося сфотографувати все (!) Листи, з яких створено цей твір. Їх виявилося більше шести тисяч.
Але скульптура не тільки вражена корозією. Вона ще й просто дуже брудна, і ми провели досить велику роботу, підбираючи миючий склад. Дуже важливо було знайти такий засіб, яке не зашкодило б матеріал композиції. І його знайшли. До речі, ця проблема цілком актуальна і для іншої відомої скульптури - пам'ятника Юрію Гагаріну на Калузькій площі.
У нашій лабораторії розроблені спеціальні пасти, які дозволяють істотно уповільнити процес корозії. Після покриття таким матеріалом на поверхні металу утворюється пасивна плівка, що перешкоджає розвитку корозійного процесу. Тепер є впевненість, що якщо скульптуру зберуть знову, то вона простоїть ще довгі роки.
Див. В номері на ту ж тему
Е. Кабл - ВІАМ - національне надбання.
А. ЖИРНОВ - Крилаті метали і сплави.
І. ДЕМОНІС - У всі лопатки.
М. Бронфін - Випробувачі - дослідники і контролери.
Академіки дають дозвіл на безпосадочний переліт Н. С. Хрущова в Нью-Йорк на наддалекі літаку ТУ-114.
І. ФРІДЛЯНДЕР - Старіння - не завжди погано.
Б. ЩЕТАНОВ - Тепловий захист "Бурана" почалася з листа кальки.
С. МУБОЯДЖЯН - Плазма проти пара: перемога за явною перевагою.
БЮРО НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ.
Е. КОНДРАШОВ - Без неметалевих деталей літаки не літають.
І. КОВАЛЬОВ - В науку - зі шкільної лави.
А. ПЕТРОВА - Посадити на клей.
