Новосибирские ученые изобрели революционный метод соединения металлов

Соединение кусков металла сваркой – технология привычная. Однако хорошо, когда нужно слить в одно целое два фрагмента одного и того же материала, но что делать, когда металлы разные и, как говорится, несвариваемые? Ученые Института теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН точно знают ответ на этот вопрос.

- Все обычные методы сварки, которые есть сейчас, основаны на очень простом принципе: есть металл, его нагревают, он плавится и перемешивается, вступая в химическую реакцию. В результате возникает неразъемное соединение, - объясняет заместитель директора ИТПМ СО РАН доктор физико-математических наук Анатолий Митрофанович Оришич, - но есть одна особенность, которая, к сожалению, отрицательно влияет на качество любого классического сварного шва: он становится не особенно прочным. Это, кстати, относится к любым литым материалам из стали, которые обязательно после процесса чем-либо обрабатывают, чтобы повысить прочностные характеристики. Дело в том, что в ходе литья формируются крупные дендридные структуры, то есть, металл собирается крупными кристаллами, между которыми плохие связи, и он становится хрупким. В сварном шве происходят те же самые вещи, но обработать его нельзя, что сказывается на прочности. Недаром на трубах или, например, газопроводах шов почти в два раза толще, чем основной металл, ведь надо сделать его более крепким.

Если при постройке корабля используется сварка, то самолеты до сих пор клепают. Сто лет назад по морям плавали суда с заклепками, вспомнить хотя бы тот же «Титаник», но поскольку люди научились соединять куски стали сваркой, а лишний вес от ее упрочнения в данном случае не играет большой роли, то эта технология и используется. Что касается «железных птиц», то здесь повышать массу не стоит. Несмотря на то, что в современном самолете около 30 миллионов заклепок, от них не отказываются из-за необходимых в эксплуатации качеств.
- Перейти к сварке в авиации – суперактуально, - восклицает Анатолий Оришич. - Немцы назвали этот переход такой же революцией, как во время Второй мировой войны смена деревянных аппаратов на металлические. Здесь очень важно сочетание небольшого веса и большой прочности. Вот и наступает проблема: нужна деталь с весом титана, но с характеристиками нержавеющей стали.

На самом деле, соединить сваркой титан и сталь вполне возможно – только ненадолго. Удар о колено – и конструкция разлетится по сварному шву. Это и есть несвариваемость металлов: она связана со сложным физическим явлением, которое называют возникновением интерметаллидов – химических соединений, чьи кристаллы очень хрупки. Так устроено в природе, и изменить это, увы, нельзя. Поэтому нужно искать обходной путь, по которому и пошли сибирские ученые. Имя ему – лазерная сварка.

- В отличие от классических способов она обладает уникальным свойством – кинжальным проплавлением, - поясняет Анатолий Оришич. - Дело в том, что при воздействии на материалы очень важную роль играет плотность мощности. Лазер – это уникальный источник по многим характеристикам, но здесь он позволяет фокусировать в точке приложения настолько большую силу, что там, куда он светит, материал вытесняется. Поэтому при сварке лазером формируется в буквальном смысле кастрюлька. Внутри нее нету вещества, а стенки – из расплавленного металла. В такой кастрюльке можно сварить любой суп, - улыбается ученый, – то есть, создать любую композицию. Мы добавили туда наночастицы специальной керамики, которые перемешиваются с материалом в расплаве и становятся центрами кристаллизации. В результате вместо длинных дендритов образуются маленькие, и это приводит к тому, что прочность увеличивается в разы.

Итак, благодаря трем компонентам – лазерному излучению, формированию с его помощью емкости и наночастицам – исследователям удалось сделать то, что еще никто не делал: крепкое соединение, по сути, трех металлов: титана, стали и меди, которая в чистом виде вещь мягкая, но когда интерметаллиды маленькими капельками размазываются внутри нее, обретает прочность.

- Сначала мы применили технологию для однородных материалов: попробовали сварить таким образом два куска титана, - комментирует Анатолий Оришич, - и нам удалось сделать прочность шва такой же, как и у основного металла. Это, кстати, сделано впервые. Тогда, - усмехается он, - мы решили «замахнуться на Вильяма нашего Шекспира», и соединить несвариваемое. Это, как видите, тоже получилось. Так что с помощью нашего способа мы можем создать любую композицию, и этот способ, кстати, нами запатентован.

Задача, которую ставят перед собой ученые на сегодняшний день, делится на две части, как раз в соответствии с названием ИТПМ СО РАН: во-первых, необходимо изучить фундаментальные свойства получившегося шва – композиционного материала. Это планируется делать с помощью коллег из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) и Института физики металлов Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург). Во-вторых, стоит вопрос и о внедрении новой технологии.

- В июне этого года наш директор академик Василий Михайлович Фомин поедет на конференцию, которая будет проходить во Всероссийском институте авиационных материалов в Москве. Они заинтересовались нашей разработкой, и есть договоренность, что мы начнем ее аттестацию. Ведь мы не имеем право придти на новосибирский завод им. Чкалова и сказать: варите! Нужно заключение комиссии, - делится планами Анатолий Оришич.

Впрочем, уже сейчас в рамках работы по технологической платформе «Фотоника» ИТПМ СО РАН установил контакты с судостроительными предприятиями Санкт-Петербурга, которые высоко оценили технологией сварки несвариваемых металлов. Оказывается, что эта проблема стоит в таких масштабах, что касается не только плавающих или летающих, но и любого из нас, кто ездит на автомобиле: там тоже есть проблема соединения в одной детали железа и меди, которая сейчас решается за счет болтов, но кто знает…

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.