Участие в государственной программе поддержки университетов «Приоритет-2030» позволяет ученым УдГУ проводить исследования и совершать открытия мирового уровня. Так, в декабре прошлого года Сессия Научного Совета Российской академии наук признала работу Е.В. Харанжевского «важнейшим результатом в области радиационной физики твердого тела за 2023 год». Сегодня мы беседуем с доктором технических наук, профессором Института математики, физики и информационных технологий УдГУ Евгением Харанжевским о самом открытии и перспективах его практического применения.
– Евгений Викторович, ваша работа называется «Получение сверхсмазывающих покрытий на стали с применением короткоимпульсной лазерной обработки». Давайте перескажем все это более доступным языком.
– Попробую. Радиационная физика твердого тела (в нашем случае это сталь) изучает поведение этих тел под нейтронным,лазерным или электронно-лучевым воздействием. Мы в нашей лаборатории сосредоточились на механизмах и последствиях лазерного воздействия, потому что именно лазер является очень гибким инструментом, открывающим невероятно перспективную область технологических решений в самых разных сферах деятельности человека. Так вот, облучая стальное тело лазером, мы в какой-то момент буквально наткнулись на тот факт, что при определенных условиях и режимах поверхность этого тела (подчеркиваю – поверхность, а не все тело) радикально меняет свои свойства. Она перестает «прилипать» к поверхности другого тела, и трение между ними приближается к нулю.
– Как-то слишком уж просто у Вас получается.
– Вы же просили попроще… Хорошо, давайте чуть подробнее. О значении темы, которой мы занимаемся, свидетельствует следующий факт: за последние 4 года Нобелевский комитет присудил две своих премии за исследования в области короткоимпульсного лазерного воздействия. Короткоимпульсным оно называется потому, что длится от нескольких пикосекунд до десятков наносекунд, и приводит к тому, что материал, на который оно направлено, приобретает очень интересные свойства. Теперь на секунду отвлечемся и напомним нашим читателям, что в мире существует такое явление, как трение. В ряде сфер человеческой деятельности трение является большой проблемой. С ней борются, нанося на трущиеся детали различные (жидкие или твердые) смазки, используя защитный слой либо комбинируя эти способы. Но даже и в этом случае никуда не уйти от высокого износа механизмов при так называемом «холодном запуске» или, наоборот, когда температура двигателя слишком высока. Мы подошли к решению проблемы трения принципиально иначе - с помощью короткоимпульсного лазерного воздействия изменяем свойства материала на глубине до 20 микрометров. Это процесс, при котором температура поверхности повышается от 10 до 100 млн градусов в секунду! Для того, чтобы создать этот слой, мы взяли сталь и висмут (он не смешивается ни со сталью, ни с медью, ни с алюминием даже в жидком состоянии), смешали их при помощи короткоимпульсного лазерного воздействия и получили на поверхности стальной детали некое аморфное состояние - материал, который ведет себя как жидкость, но по прочности и долговечности имеет свойства стали. Коэффициент трения между такими деталями (без смазки!), в сравнении с деталями из традиционных материалов, снизился в 100 и даже 200 раз!
– Эта технология касается только стали?
– Нет, ее можно распространить на любой другой материал. Но для этого нужно подобрать к этому материалу несмешиваемую с ним пару. Именно такая пара после лазерной обработки и дает эффект сверхскольжения.
– А он, в свою очередь, повышает коэффициент полезного действия механизмов?
– Совершенно верно. Всем, кто так или иначе сталкивался с работой механизмов, в которых есть трущиеся детали, известно фундаментальное противоречие. Его суть в следующем. Чтобы КПД работа агрегата был больше, зазоры между трущимися деталями должны быть меньше. Но чем меньше зазоры, тем ниже эффективность смазки и выше износ деталей. Следовательно, нужно увеличивать зазоры. Но тогда падает КПД. И так по кругу. Наша технология обнуляет это классическое противоречие. Минимальные зазоры уже не ведут к износу деталей, а их размер престает быть критически важным показателем.
– Давайте суммировать.
– Давайте. Итак, наша технология позволяет создать на поверхности стальной детали слой, обладающий свойством сверхскольжения. В этом случае коэффициент трения между деталями стремится к нулю, КПД агрегата многократно возрастает, а его трущимся деталям не нужна смазка. По сути, детали, которые раньше назывались трущимися, теперь будут работать в безызносном режиме. Первые шаги к такому режиму были сделаны в научной школе Гаркунова и Крагельского. Они растворяли в смазке определенные химические вещества, которые в ходе эксплуатации механизма осаждались на трущиеся детали и восстанавливали их поверхности. Наша технология, как видите, гораздо более радикальна и по решениям, и по их результатам.
– О результатах хотелось бы узнать подробнее. Ваша технология существует на уровне эксперимента?
– Скажу так: над самим открытием мы работали 4 года. А шли к нему лет 20. Суть нашего открытия изложена нами в статье, которую опубликовал авторитетнейший британский журнал Nature («Природа»). Мы испытали свою технологию на ряде материалов и изделий в лабораториях Удмуртии и неизменно получали потрясающие результаты. Чтобы проверить и подтвердить их, провели серию испытаний в Институте физики металлов Уральского отделения РАН в Екатеринбурге, сотрудничаем с Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. Из чистого любопытства обработали по нашей технологии детали турбины автомобиля УАЗ «Патриот». Турбину отключили от смазки и двое суток непрерывно «гоняли» в режиме 70 тысяч оборотов в минуту. Трущиеся детали турбины этого совершенно не заметили. Поскольку изобретение совсем свежее, мы только сейчас начинаем проводить опытные работы в сотрудничестве с рядом предприятий Москвы, С.-Петербурга, Саранска. И, естественно с заводами нашей республики.
– Что Вы им можете предложить?
– Нашу методику, нашу экспериментальную установку, на которой мы обрабатываем поверхности деталей, проведение и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работы. Единственное ограничение – это габариты и вес обрабатываемых деталей. Далее предприятия могут самостоятельно внедрять у себя нашу технологию. Мы можем помочь подобрать для них нужную промышленную установку - они уже выпускаются в России. Лазеры для них производят в Сарове.
– Понятно, что в детали пока не стоит углубляться, но хотя бы в общих чертах – что интересует производственников?
– Предприятия с нашей помощью надеются решить хроническую проблему с заклиниванием и высоким износом гидродвигателей, турбин, поршневых систем и штампового оборудования. Несколько предприятий заинтересовались возможностями нашей технологии в решении проблем генерации электроэнергии. И это далеко не полный список тем, которые интересуют производственников.
– Наверняка Вы уже просчитываете и перспективы использования вашего открытия.
– Разумеется. Самые широкие перспективы открываются энергетическом секторе. Там существует гигантская проблема: с одной стороны, количество потребляемой на предприятии энергии колеблется в зависимости от режима производства, с другой – генератор электроэнергии любит ровный режим работы и плохо переносит его изменения. Как только вал турбины начинает менять скорость вращения, он начинает вибрировать, а узлы трения – испытывать серьезные перегрузки и быстро изнашиваться и выходить из строя даже если они хорошо смазаны. Поэтому количество переключений режима мощности всегда лимитировано, что идет вразрез с производственными нуждами. Наша технология полностью решает эту проблему: обработанные по ней узлы трения будут работать совсем без смазки и без износа, а вал турбины не будет вибрировать при переключениях мощности. Режим работы турбины можно будет менять сколько угодно раз без всяких последствий. Это особенно актуально для тяжелонагруженных турбин. Наша технология резко повышает их надежность.
– Турбина сегодня – очень распространенное устройство…
– Поэтому мы надеемся заинтересовать нашей технологией производители турбированных двигателей для развивающейся в России малой авиации. В беспилотниках на электротяге теперь можно менять подшипники качения на подшипники скольжения. Это позволит уменьшить габариты и вес электродвигателя, одновременно существенно увеличив его мощность. Мы посчитали, что можно сделать ультракомпактный электродвигатель со скоростью вращения до 70 тысяч оборотов в минуту. Кстати, в этом направлении уже двигаются некоторые продвинутые зарубежные производители электромобилей. Наконец, в самолетах могут перегреваться и выходить из строя топливные насосы. Наша технология способна решить и эту проблему.
– Да, перспективы впечатляют. Но известно железное правило бизнеса: тому, кто придумал – 1 доллар, тому, что произвел – 10 долларов, тому, кто продал – 100 долларов.
– Увы, это так. Конечно, одна лаборатория не может одновременно заниматься наукой, производством и продажами. Нам (да и не только нам) очень нужны специалисты, способные профессионально организовать бизнес-процессы. Может быть эта публикация поможет их найти. А в принципе тут нужна государственная поддержка. Внедрение открытий, подобных нашему, должно стать частью государственной научно-промышленной политики. Особенно если учитывать особенности современного этапа развития экономики России.