Профессор МИСИС Николай Белов: мы создаём принципиально новые литейные сплавы

• Николай Александрович, расскажите о сплавах, которые разрабатываются под вашим руководством.

Алюминиевыми сплавами я занимаюсь почти полвека – и кандидатская, и докторская посвящена этой научной проблеме. Мои ученики также разрабатывают принципиально новые улучшенные сплавы для критических отраслей российской промышленности.

Есть всего четыре элемента, которые дают начало всем системам промышленных сплавов: кремний, медь, магний и цинк (реже никель и марганец). Остальные элементы, в том числе редкоземельные, добавляются факультативно. Вводить их в состав только на волне популярности редкоземельных металлов нерационально.

Пожалуй, настоящий король среди РЗМ в алюминиевой отрасли – скандий. Он хорош в алюминиево-магниевых сплавах. Например, в линейке сплавов 1570 1575, 1580, последний из которых разработан в компании РУСАЛ. В большинстве же случаев вводить скандий в состав марочных алюминиевых сплавов (в частности, силуминов), тем более в больших количествах, бесполезно. В малых долях (1 килограмм на тонну сплава), особенно вместе с цирконием, он даёт яркий эффект – образуются наночастицы размером несколько нанометров, придающие сплаву высокую прочность, которая лишь немногим уступает прочности дюралюминов.

Впрочем, дюралюмины тоже неидеальны – они подвержены коррозии и имеют сложности со свариваемостью. Это значит, что соединять дюралюминиевые детали сваркой не получится, а вот алюминиево-магниевые сплавы как раз отлично дружат со сварочными технологиями. Получается, малые доли скандия, введённые в состав алюминиево-магниевого сплава, и прочность придадут, и сохранят ценное для производства свойство соединять детали сварочным аппаратом. Используются такие сплавы, улучшенные скандием, в самых ответственных областях – авиа- и ракетостроении, для создания деталей космических спутников, автомобилестроения.

• Насколько выгодно добавлять скандий в сплавы?

Этот процесс называется легированием. И он обходится очень дорого, ведь скандий дороже золота! Добавка скандия в количестве 0,1% повышает стоимость сплава примерно в два раза. Такие сплавы производятся сейчас на Самарском алюминиевом заводе.

Из-за дороговизны учёные ищут замену скандию – пробуют добавлять в сплавы эрбий, иттербий, диспрозий и другие редкие земли. Упускают при этом ключевое отличие скандия от всех других РЗМ – он может растворяться в алюминиевом твердом растворе и создавать наночастицы, растворимость же других редкозёмов сравнительно мала (сотые доли процента).

• Где производится скандий, использующийся в металлургии, на сегодняшний день?

На Северном Кавказе – ещё со времён позднего Советского Союза. А сейчас и компания РУСАЛ успешно производит алюминий из низкосортных отходов алюминиевого производства, понижая тем самым его себестоимость.

• Получается, для алюминиевой отрасли, кроме скандия, нет подходящих РЗМ?

Не совсем так. За скандием по значимости следуют церий и лантан – они сравнительно недорогие и по-своему эффективные. Они позволяют добиться высоких литейных свойств подобно кремнию, который является основным легирующим элементом в силуминах. Последние, в частности, широко используются для поршней двигателей внутреннего сгорания. Стандартных 10-12 % хватает для отливки различных поршней. Но из силуминов «выжали» всю их пользу, достигнут потолок их полезных свойств.

Церий и лантан позволяют существенно повысить рабочие температуры для создания сплава. Составы с церием сейчас активно применяют в аддитивных технологиях.

• Вы автор более 50 патентов в области металловедения. Какие химические элементы чаще всего используются вами в алюминиевых сплавах, и каким образом они улучшают свойства продукта?

С 2014 года мы начали заниматься достаточно неожиданным в алюминиевых сплавах элементом – кальцием. Все о нём слышали в связи со строением человеческих костей, зубной эмали – в общем, представляют значение кальция в органической жизни. Кальций также давно используют в сталеплавильном производстве, сравнительно недавно в магниевых сплавах.

Кальций образует примерно такие же фазы, как церий. При этом он гораздо дешевле и легче. Кстати, мы рассматриваем совместное введение в алюминий кальция с церием или лантаном, чтобы получить сплавы для аддитивных технологий. Они совместно придают сплаву высокодисперсную структуру, при которой мельчайшие частицы равномерно распределяются в металлической матрице. Сплав получается очень однородным и удобным для дальнейшего использования.

• Расскажите, как вы испытываете новые сплавы с добавлением РЗМ?

Количество сплавов сейчас резко возросло. Испытывать каждый раз – неэкономично. Помогает программное обеспечение, с помощью которого можно заранее смоделировать, какими свойствами будет обладать новый сплав, и рассчитать его состав.

Совсем обойтись без экспериментов не получится, поэтому отобранные составы обязательно должны пройти верификацию (выплавка, термообработка, структурный анализ, определение различных свойств)

• Какие источники поддержки ваших исследований актуальны?

Госзадание, поддержка Российского научного фонда. В настоящее время мы работаем сразу по двум грантовым проектам, поддержанным РНФ, с коллегами из Сибирского федерального университета. Два года назад появились особые технологические проекты РНФ, тематику которых определяет квалифицированный заказчик (индустриальный партнёр).

• Вы упоминали, что использовать редкоземельные металлы просто под влиянием тренда – излишне. Есть ли примеры чрезмерного вовлечения РЗМ в опытном производстве и с чем это связано, на ваш взгляд?

Есть некоторые разработчики, добавляющие редкие земли в почти «гомеопатических» дозах. Конечно же, на свойства сплавов это существенно не может повлиять. А делается это для увеличения числа патентов на новые сплавы алюминия. Я сторонник практического подхода и скептически отношусь к таким ненужным и зачастую вредным добавкам. Например, силумины, на мой взгляд, уж точно не нуждаются в «улучшении» скандием.

• Какие области металлургии сейчас наиболее перспективны для молодых специалистов?

В первую очередь – аддитивные технологии. А для их успешного дальнейшего развития обязательно нужно делать новые сплавы, максимально пригодные именно для этой области. Наращивать детали путём добавления материала невозможно из классических сплавов, предназначенных только для литья. Например, чтобы создать проволоку нужен сплав, который будет достаточно пластичен при волочении и устойчивым к образованию трещин в процессе аддитивного выращивания. А эти характеристики трудно сочетаемые, поэтому нужно новые идеи и подходы при разработке таких сплавов.

Важно, чтобы над аддитивными технологиями работала команда специалистов, которые (в идеале, конечно) разбираются в профиле работы друг друга. Классический материаловед не всегда сведущ в работе литейщика, а литейщик не разбирается в области обработки давлением. Поэтому создание инновационных сплавов, проволоки, деталей аддитивным путём требуют слаженной командной работы.

Отмечу, что в регионах много молодых и перспективных специалистов, и для ребят из малых нестоличных городов металлургия может стать билетом в будущее – отрасль сейчас развивается, совершенствуются уже существующие технологии – то же литьё в электромагнитный кристаллизатор. Металлургия – одна из сфер, лежащих в основе технологического суверенитета нашего государства. Без машино- авиа- судостроения, самостоятельного производства космической техники невозможно представить будущее.

• Как вы привлекаете к исследованиям новые кадры?

В магистратуру и аспирантуру приглашаем точечно, иногда уже взрослых состоявшихся специалистов из отрасли, накопивших достаточный научный задел. У нас на кафедре и в лаборатории учёным даётся большая свобода, однако при этом стараюсь мотивировать всех участников научной команды работать над крупными грантовыми исследованиями – что называется, живём на то, что заработали.

Огорчает, что зачастую российская металлургическая отрасль не доходит до конечного продукта, готового для употребления в транспорте, например, а довольствуется серийным выпуском полуфабрикатов.

Хочется всё же, чтобы производящиеся алюминиевые сплавы затем превращались в авиационные заклёпки, детали автомобилей и т.д. Также существует некоторая инерция в продвижении новых сплавов – но, конечно, когда речь идёт о деталях самолёта, например, без длительных испытаний новых материалов категорически не обойтись.