«ПРИРУЧЕННАЯ» АЕТОНАНИЯ
Что такое газовая детонация? Это прежде всего взрыв, зачастую беспощадный и разрушительный. Суть процесса состоит в высокоскоростном (сверхзвуковом) сгорании газового топлива (ацетилена, пропана, бутана и т.п.). При этом формируется мощная ударная волна, в которой энергия химического превращения трансформируется в тепловую и кинетическую (температура — до 4000°С, скорость потока — более 1 км/с). Обуздать «огненного зверя», заставить его работать на благо — задача заманчивая.
В новосибирском Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева (ИГиЛ) СО РАН эту проблему
изучают более полувека. Еще в 1960-х годах достижения Богдана Войцеховского (академик с 1991 г.), Владислава Митрофанова и Марлена Топчияна (впоследствии докторов физико-математических наук) по обнаружению ячеистой структуры детонационного фронта и спиновой детонации были зарегистрированы как открытия, а совместный с московскими коллегами цикл исследований удостоен высокой государст-
Заведующий лабораторией детонационных течений ИГиЛ СО РАН Владимир Ульяницкий и инженер-исследователь Александр Коваленко.
венной награды того времени — Ленинской премии. В дальнейшем полученные фундаментальные результаты стали активно трансформироваться сотрудниками института в технические решения с разработкой новых технологий для промышленности. О них в беседе с корреспондентом газеты «Наука в Сибири» Юлией Александровой рассказал заведующий лабораторией детонационных течений ИГиЛ СО РАН доктор технических наук Владимир Ульяницкий.
Одним из применений газовой детонации является, по словам ученого, детонационное напыление, при котором энергия взрыва используется для формирования защитных покрытий на поверхности деталей разнообразного назначения. Потоком продуктов взрыва частицы порошкового материала разогреваются до плавления и разгоняются до скорости пули. При столкновении с обрабатываемой деталью они прочно закрепляются на ее поверхности, образуя слой плотного покрытия. Реализация этого процесса требует специального оборудования. Первое его поколение появилось в нашей стране еще в 1970-х годах, но разрабатывали установки, как правило, инженеры, не имевшие специальной теоретической подготовки по физике взрыва, что отражалось на стабильности процесса и, как результат, на качестве получаемых покрытий.
В начале 1980-х годов Министерство авиационной промышленности СССР предложило Институту гидродинамики разобраться с этими проблемами и помочь усовершенствовать уже используемое на заводах авиационного двигателестроения оборудование. Справившись с поставленной задачей, команда молодых специалистов, возглавляемая кандидатами физико-математических наук Тамарой Гавриленко и Юрием Николаевым, решила идти дальше — разработать новый аппарат собственной конструкции. Уже через два года ими была создана детонационная пушка «Обь», принципиально отличавшаяся от своих предшественников прежде всего стабильностью процесса, высоким качеством получаемых покрытий и новыми технологическими возможностями. Ориги-
Выстрел детонационной пушки. Напыление защитного твердосплавного покрытия.
нальность предложенных сотрудниками института решений подтверждают около десятка отечественных и зарубежных патентов. Первый образец этого оборудования в конце 1980-х был запущен в эксплуатацию на заводе авиационного двигателестроения в Уфе, тогда же начался его промышленный выпуск на Бердском электромеханическом заводе в Новосибирской области. Но в 1990-е годы все эти работы, к сожалению, были свернуты. Для того чтобы выжить, лаборатории пришлось переключиться на задачи, которые в благополучных условиях не свойственны подразделениям Академии наук, — речь идет о поисках применения передовой технологии для нужд «ширпотреба». Уцалось показать и доказать, что технология упрочнения ответственных деталей авиационной техники вполне пригодна для ремонта широкой номенклатуры деталей автомобилей, локомотивов, станков, прочего оборудования и даже восстановления сложных узлов, типа блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, компрессоров холодильных установок и т.п.
Лаборатория не ограничивалась демонстрацией принципиальных возможностей метода, а предлагала полный технологический цикл. В итоге практически все произведенное оборудование было запущено в эксплуатацию на малых предприятиях ремонта автомобилей и другой техники в Сибири, Киргизии, Узбекистане и даже в Москве.
Востребованность технологии объясняется ее экономической выгодностью. Затратив на напыление менее килограмма порошкового материала, можно восстановить, например, много килограммовый коленчатый вал грузового автомобиля или бульдозера. При этом восстановленная деталь за счет увеличения износостойкости становится в определенном смысле лучше новой.
В конце 1990-х годов перед сотрудниками лаборатории была поставлена интересная технологическая задача. С идеей металлизации изделий из фторопласта к ним обратились специалисты одного из крупнейших отечественных производителей химической продукции — ОАО «Галоген» из Перми. Этот пластик обладает уникальными полезными свойствами, но имеет один неприятный технический недостаток — ничем не клеится, что заметно ограничивает возможности его применения. Проблему удалось решить с помощью детонационного напыления, хотя вначале это представлялось совершенно невероятным. Металлизация пластмассы взрывом? Ну что за фантазии! Однако, оказалось, что при «деликатном обращении» газовой детонацией можно внедрить полурасплавленные частицы алюминия в полимер, не вызывая его разрушения, и затем сформировать прочный слой металлического покрытия, благодаря которому изделие «намертво» приклеится в нужное место.
Исследователи не ограничились принципиальным решением задачи, а запатентовав, довели реализо-
Детонационный комплекс CCDS2000 с 3-координатной системой сканирования обрабатываемых деталей.
ванную идею до промышленной технологии: первый специализированный для металлизации фторопласта аппарат был запущен в эксплуатацию в Перми в 2005 г. Он стал прототипом устройств для детонационного напыления нового поколения. Создание многофункционального оборудования требовало существенных инвестиций, на которые отечественная промышленность еще была не готова. К счастью, разработкой заинтересовались во французской Национальной инженерной школе в Сент-Этьене. Там в этой области с 1980-х годов работает профессор Игорь Смуров, основавший во Франции русскоязычную лабораторию. Кстати, в настоящее время он реализует мегагрант в Московском государственном технологическом университете «Станкин». Так что теперь технологию ученых из Новосибирска пропагандирует в Москве французский профессор.
Первый многофункциональный компьютеризированный комплекс нового поколения был отправлен во Францию летом 2007 г. По существу это был специализированный робот детонационного напыления, позволяющий программируемо обрабатывать детали сложной формы. Оригинальные решения новой конструкции защищены тремя российскими патентами.
Разработку полноценного коммерческого продукта проинвестировала фирма «Сибирские технологии защитных покрытий», которая теперь изготавливает эти установки в технопарке Новосибирского академгородка. Она же находит заказчиков и реализует продукцию. При этом сотрудники ИГиЛ участвуют в отработке технологий с передачей потребителю, включая наладку оборудования и обучение специалистов.
В сотрудничестве с той же фирмой доведен до уровня мировых экспортных стандартов дизайн установки, названной CCDS2000 (Computer Controlled Detonation Spraying). Благодаря этому расширяется география зарубежных поставок. Потребители — не только исследовательские центры, но и крупные предприятия, например, авиационный и машиностроительный заводы в Китае. Интерес к разработке появился и в России. Так, в современном оборудовании для бурения и нефтедобычи, нефте- и газотранспортировки упрочняющие и защитные покрытия теперь с успехом напыляются детонационным способом. В полном объеме здесь реализовались возможности компьютеризированного комплекса нового поколения.
Новой технологии нашлась масса применений и в других областях. Это, например, высоковольтная керамическая изоляция электрофизических установок, работающих в среде с высоким уровнем радиации, — она реализована на сильнотоковых трансформаторах, изготовленных новосибирским Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера для Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми в США.
— v , *
ь i
JT f
J. - I® ^
Совместно с Институтом катализа им. Г.К. Борескова разработаны реакторы для высокотемпературной конверсии бензино-воздушной смеси в синтез-газ, где детонационное покрытие используется в качестве носителя катализатора. А с Институтом химии твердого тела и механохимии лаборатория Владимира Ульяницкого работает над новыми композиционными наноструктурными материалами. Одна из особенностей таких систем — высокие бактерицидные свойства включений из наноразмерных частиц серебра, получаемых при формировании композита методом детонационного напыления.
Реализуются совместные проекты и со многими другими учреждениями СО РАН, в частности с Институтом неорганической химии им. А.В. Николаева и с Институтом теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича, с лабораториями в Томске и Красноярске. Нашлось применение детонационным покрытиям в оборудовании для атомной промышленности и в силовых энергетических установках. Совместно с французскими коллегами сотрудники ИГиЛ показали эффективность детонационного напыления для решения задач проекта ITER — первого в мире термоядерного реактора, сооружаемого под Марселем. Ну и, конечно, не забыта отечественная авиационная отрасль. На новом оборудовании удается напылять на детали для самолетов такие покрытия, изностойкость которых в разы выше той, что традиционно достигалась на российских авиазаводах. Первые аппараты нового поколения, созданные в ИГиЛ, в ближайшее время будут отправлены в ОАО «Кузнецов» (Самара) и в Уфимское моторостроительное производственное объединение.
Александрова Ю. Инновации от газовой детонации.
¡'(иста «Наука в Сиб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.