Нержавеющая сталь — материал привычный и, казалось бы, изученный вдоль и поперёк. Из неё делают не только посуду, но и детали для нефтеперерабатывающей промышленности. Однако у этого металла есть слабое место, которое долгие годы оставалось серьёзной проблемой для отрасли.

Хромоникелевая нержавейка — коррозионностойкая, пластичная и относительно недорогая. Именно поэтому её выбирают производители оборудования для работы под землёй, в химически агрессивной среде, где на металл действуют грунтовые воды, электролиты и сопутствующие газы. Но есть одно «но»: эта сталь плохо сопротивляется гидроабразивному износу — воздействию твёрдых частиц, которые движутся с потоком жидкости.

Доцент кафедры материаловедения в машиностроении НГТУ НЭТИ Евдокия Бушуева объясняет:

«Нержавеющая сталь достаточно пластичная, поэтому ей сложно сопротивляться потоку воды с частичками твёрдого абразива. Абразив действует как миллион ножей, которые вонзаются в поверхность. Сначала появляются задиры, царапины, трещины, а учитывая то, что в это же время на материал действует агрессивная среда, то и антикоррозионная стойкость нержавейки сильно снижается. В итоге вместо положенных тысяч часов такое оборудование отрабатывает всего сотни».

Задача, которая встала перед промышленниками и учёными, была предельно ясна: увеличить ресурс оборудования. Решение нашли специалисты Новосибирского государственного технического университета совместно с коллегами из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН. Они использовали метод электронно-лучевой наплавки на промышленном ускорителе ЭЛВ-8 — установке, которая имеет статус уникальной научной и входит в национальный перечень объектов исследовательской инфраструктуры России.

Суть технологии: на поверхность стали наносится слой из смеси порошков бора и железа. Мощный электронный пучок плавит их, создавая прочный поверхностный слой толщиной в несколько миллиметров. Для сравнения: лазерная наплавка даёт слой не более десятка микрон.

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский поясняет, почему выбранный метод лучше альтернатив:

«Мы можем создавать на материале более толстый поверхностный слой, чем при лазерной наплавке, лишённый пористости и слабого сцепления с основой, характерных для плазменного напыления. Если лазерная наплавка работает с толщиной не более десятка микрон, то у нас получается слой в несколько миллиметров, лишённый пор. Немаловажно, что мы обеспечиваем его металлургическую адгезию, то есть сцепление наплавленного слоя с основой не хуже, чем прочность самого металла основы».

К преимуществам технологии добавляется производительность: средняя скорость обработки — 2 квадратных метра в час. При этом работа ведётся в атмосфере, а не в вакуумной камере, что значительно упрощает процесс. Мощность пучка на один-два порядка выше, чем у лазеров, а коэффициент поглощения энергии материалом достигает 90%.

Полученные образцы испытали в экстремальных условиях. В Институте гидродинамики имени Лаврентьева СО РАН на них воздействовали мощным потоком воды с частицами оксида алюминия — это своего рода «проверка боем» для металла в условиях гидроабразивного износа. Кроме того, провели тесты в агрессивных средах: образцы обрабатывали смесью плавиковой, серной, соляной и азотной кислот. Именно такие растворы используют на промыслах, когда в скважине заклинивает оборудование и нужно растворить попавшую породу.

Результаты превзошли ожидания. Упрочнённая сталь показала в два раза более высокую износостойкость и коррозионную стойкость по сравнению с обычной. Это значит, что оборудование, которое раньше выходило из строя через сотни часов, сможет работать тысячи.