Новые технологии ВИАМ: выиграть время у коррозии
За 12 лет работы в ВИАМ из ученика лаборанта-металлографа Мария Геннадьевна Курс выросла в опытного ученого, самостоятельно наладив полный цикл исследований металлов в Геленджикском центре климатических испытаний им. Г.В. Акимова (ГЦКИ ВИАМ).
Коррозия металлов во всех ее проявлениях, а также разработка чувствительных методов оценки свойств и проведения циклических и натурно-ускоренных испытаний – научные интересы М. Курс. В ноябре 2016 года она защитила диссертационную работу «Метод расчета интегрального коэффициента коррозионного разрушения листов из деформируемых алюминиевых сплавов при натурно-ускоренных испытаниях». Лауреат именной стипендии имени академика РАН И.Н. Фридляндера в 2012–2013 годах.
Геленджик – город больших возможностей
Я родилась в располагающем к романтике приморском городке Геленджик. И уже к старшим классам школы мой пристальный интерес вызывали точные науки. Я любила математику и физику. Возможно, интерес к технике мне передался от родителей. Мой отец занимается художественной обработкой цветных металлов. Мама окончила Ленинградский техникум по протезированию конечностей. В школе внимание к сложным предметам подстегивали неравнодушные преподаватели – учитель математики Наталья Владимировна Триандофилова и учитель физики Валентина Александровна Парамонова, которая на любой закон старалась привести понятный пример. Это помогало проводить аналогии при решении задач любой сложности. Поэтому мне все казалось просто, элементарно, и после школы я собиралась поступать в Таганрогский радиотехнический университет – единственный технический вуз в Геленджике, вернее его филиал.
Но планы изменил случай. Однажды отец узнал от знакомых, что ВИАМ проводит набор школьников (теперь уже ставший традиционным) на обучение в московском вузе, чтобы подготовить специалистов для работы в своем филиале – Геленджикском центре климатических испытаний. В 2001 году он только начинал строиться. В то время я, ученица десятого класса, туда попала в первый раз, придя на собеседование. На территории стояли вагончики директора (тогда ГЦКИ возглавлял Олег Григорьевич Карпенко) и главного бухгалтера, но при этом уже функционировали атмосферные стенды, заполненные образцами: филиал работал по своему прямому назначению. Администрация терпела неудобства, но уже полным ходом шли испытания материалов. Также с самого начала была введена в эксплуатацию метеостанция. Помню, было и небольшое помещение для немногочисленных сотрудников, которые обеспечивали проведение натурных испытаний образцов. Теперь это помещение служит Центром сбора и обработки информации, в котором находится метеостанция.
В 2003 году я окончила школу с серебряной медалью и, по договоренности с ВИАМ, поехала в Москву поступать в МАТИ–РГТУ им. К.Э. Циолковского на факультет материаловедения и технологии обработки материалов. ВИАМ очень серьезно подходит к проблеме подготовки кадров. Я могу только аплодировать тому, как ведется работа в этом направлении. Сейчас институт самостоятельно готовит магистров. Я даже немного завидую студентам, которые могут обучаться и при этом работать в ВИАМ, так сказать, без отрыва практики от теории. Мне же в свое время приходилось постоянно курсировать между учебой и работой.
Уже на первом курсе института меня и нескольких сокурсников (тоже из Геленджика) пригласили в институт. Прекрасно помню волнительную встречу с Генеральным директором Евгением Николаевичем Кабловым. Он вручил нам по значку с эмблемой ВИАМ и пожелал успехов в учебе и труде. Каждого из студентов (нас было четверо) прикрепили к разным лабораториям. Я попала в лабораторию коррозии и защиты металлов, которую возглавляла Светлана Алексеевна Каримова. Но сразу меня на работу не взяли: мне еще не исполнилось 18 лет. Только через полгода, 23 марта 2004 года, я была принята на полставки в штат лаборатории на должность ученика лаборанта-металлографа.
Исследованием коррозии алюминиевых сплавов я и мои коллеги занимались в тесном сотрудничестве именно с филиалом в Геленджике. Через нас проходили все образцы, которые передавались в филиал и которые приходили в Москву после экспозиции. Здесь проводилась оценка их свойств, исследование коррозионных характеристик.
Беззаботного студенчества у меня не было. Поначалу учеба занимала большую часть времени, а все свободное время я проводила в ВИАМ. Со временем работы становилось больше, учебы меньше. В процессе моего обучения ввели систему бакалавриата, поэтому я защищала два диплома (магистерский и бакалаврский), которые построила на своих собственных исследованиях материалов, в том числе после испытаний в Геленджике. Диплом магистра я защитила на «отлично», и меня рекомендовали к поступлению в аспирантуру, так как моя работа выгодно выделялась среди других. Темой дипломного исследования были коррозионная стойкость алюминиевых сплавов различных систем при испытаниях натурными и лабораторными методами. Проводились сравнения их коррозионной стойкости после экспозиции в Геленджике в течение трех лет по показателям скорости коррозии, межкристаллитной коррозии, коррозионному растрескиванию.
Когда идет разработка сплава, его проверяют на склонность к локальным видам коррозии. Особенность алюминиевых, например, сплавов в том, что они разрушаются неравномерно. В отличие, скажем, от углеродистых сталей, у которых поверхность равномерно разъедается и можно по изменению массы легко оценить коррозионные потери. В алюминиевых сплавах локальные коррозионные поражения развиваются неравномерно по сечению. При этом они могут быть незаметны невооруженным глазом – как, например, межкристаллитная коррозия, которую можно оценить только путем изготовления микрошлифа, т.е. вырезав часть материала, отполировав его и посмотрев в микроскоп. И только так можно обнаружить сеточку коррозионного разрушения по границам зерен, которая приводит к существенному снижению прочностных свойств материала.
Надо сказать, что не только учеба помогала мне в течение всего периода обучения в работе, но и работа помогала в обучении. Лектор курса «Спецстали» была поражена тем, что все определения по теме коррозии я диктую аудитории за нее и в конце семестра поставила мне пятерку по предмету автоматом.
Мои успехи я, безусловно, связываю не только со своим научным азартом и трудоспособностью. С благодарностью вспоминаю своего главного наставника в Москве, уже ушедшую, Валентину Николаевну Головину – ведущего инженера ВИАМ, а также Татьяну Ивановну Тарараеву, Валентину Яковлевну Белоус. Институт и тогда, и сейчас исповедует принцип взаимовыручки, здесь царит дружелюбная атмосфера, особенно в отношении студентов-практикантов.
Каждым летом я проходила производственную практику в Геленджике в стенах ГЦКИ, где все меня уже знали, ждали, потому что я их «геленджикский кадр» в Москве. Меня учили осматривать образцы, показывали, как работает метеорологическое оборудование. На моих глазах строился филиал, появлялся лабораторно-исследовательский корпус, возникал фронт моих будущих научных сражений.
Сразу после университета я окончательно вернулась в Геленджик: 10 июля 2009 года приступила к работе на новом месте. Меня приняли с распростертыми объятиями. Ведь немногие возвращаются из столицы: Москва – город больших возможностей, но для меня на практике таким городом стал Геленджик.
Под крышей стенда своего…
К моменту возвращения в Геленджик я четко знала, как и что делать для развития нашего климатического центра. До того момента в Москве я досконально научилась проводить испытания всех образцов – их как раз снимали со стенда в Геленджике и отправляли в столицу. Я же приехала с решимостью проводить все испытания своими силами в филиале. Навыки у меня были, а недостающее оборудование заполучить было делом времени. Так мы сделали ванну для травления образцов, купили необходимые химикаты для снятия продуктов коррозии и для проведения всех необходимых исследований в лаборатории аналитической химии. Я как инженер-металлограф могла проводить оценку свойств алюминиевых сплавов в полном объеме. В итоге все начинания увенчались успехом. Если раньше филиал считался климатической площадкой ВИАМ, теперь, по кадровым возможностям, мощностям он как полноценный научно-исследовательский центр может проводить оценку всего спектра характеристик материалов после климатического воздействия. На базе нашего филиала ВИАМ проходит ежегодную аккредитацию авиационным регистром.
После обучения в МАТИ в Геленджик нас вернулось трое: я и двое молодых людей, которые работают в моем секторе. Например, Андрей Гладких (пока учился на старших курсах, занимался механическими испытаниями в лаборатории под руководством В.С. Ерасова). Сейчас Андрей основной специалист по механическим испытаниям. В том числе – на уникальных стендах, расположенных на силовом полу. Они предназначены для испытаний в условиях одновременного воздействия климатических факторов и циклических нагрузок эксплуатационного уровня. Таких мощностей сегодня больше ни у кого нет. В перспективе мы создадим серьезную методическую базу для работы на этом оборудовании. Уже сейчас стенды вызывают все больший интерес у предприятий самых различных отраслей промышленности, так как позволяют оценивать свойства полномасштабных конструкций в сборе. Объектами испытаний здесь являются лопасти вертолетов, элементы крыла самолета, опоры ЛЭП, строительные балки и так далее. Мы оцениваем поведение материалов в составе разнородных соединений и крепежных элементов, защитные свойства покрытий. При этом особую роль приобретают неразрушающие методы контроля, позволяющие определить начало развития внутренних дефектов при воздействии нагрузок и климатических факторов.
Проблема коррозионно-механических испытаний всегда была актуальна для института. Доктор технических наук, профессор Анатолий Владимирович Гриневич многие десятилетия занимается в ВИАМ оценкой механических свойств в зависимости от регламентированного коррозионного воздействия, проводимого электрохимическими методами. Мы в своей работе часто сталкиваемся с вопросом, как же нужно оценивать механические свойства, какие образцы применять и плодотворно сотрудничаем. Совместными усилиями разработан метод по оценке усталостных характеристик, а также вид образца, который позволяет оценить стойкость материала к усталостному воздействию именно для алюминиевых сплавов за счет их локального коррозионного разрушения. Из пластины определенных размеров, прошедшей натурные испытания, вырезаются образцы по эскизу. Рабочее сечение неравномерно подвержено коррозионному воздействию. Методом предусмотрен выбор зоны рабочей части образца в зоне максимального коррозионного повреждения. Мы получаем меньший разброс по свойствам и оцениваем реальное изменение усталостных характеристик материала при воздействии окружающей среды. В результате мы можем сопоставить зависимость степени снижения усталостной характеристики от уровня коррозионного разрушения.
Главный в ВИАМ – инженер: для него создаются все условия
Особо отмечу, что в Геленжикском центре главный на предприятии – инженер. Созданы все условия для того, чтобы обеспечить испытателя всем необходимым для проведения любых работ. Наша лаборатория разделена на две части: сектор климатических испытаний металлических материалов, которым я руковожу, и сектор климатических испытаний неметаллических материалов и конструкций.
Я принимаю активное участие в научных изысканиях. Помимо работы с документацией, как инженер, занимаюсь металлографическими исследованиями: оценкой межкристаллитной, питтинговой, расслаивающей коррозии, провожу оценку характеристик металлов. Без практики не мыслю себя в рамках науки.
Одно из исследований и его итоги легли в основу моей диссертации. Особенность выполнения квалификационной работы, основанной на результатах натурной экспозиции, в том, что для проведения этих испытаний нужны годы. Поэтому планирование эксперимента готовят тщательно. Ведь шанса что-то исправить и повторить уже не будет. В работе были исследованы листы из деформируемых алюминиевых сплавов восьми систем при испытаниях натурно-ускоренным методом, то есть при распылении растворов морской соли. Такая методика позволила значительно быстрее инициировать коррозионные процессы.
Работая на климатической станции, понимаешь, что невозможно накопить объективный материал по коррозионной стойкости лишь в рамках тематической программы, которая длится всего год-два. На получение реальных результатов требуется, по меньшей мере, 10–15 лет. Такие исследования, кстати, проходили в Батумском филиале ВИАМ. Как правило, если материал экспонируется на открытой площадке без дополнительного внешнего воздействия, заметное снижение механических свойств начинает происходить не ранее чем через пять лет эксперимента. Поэтому развитие методов натурно-ускоренных испытаний приобретают сейчас особую актуальность.
В моей диссертации как раз и предлагается такой метод. В отличие от классических испытаний на открытой площадке, мы проводили эксперимент под навесом. Дополнительное воздействие коррозионно-активными компонентами позволило провести испытания коррозионной стойкости и получить данные по склонности сплава к локальным видам коррозионного разрушения примерно в 4–5 раз быстрее, чем при эксперименте на открытой площадке. В целом же под навесом целесообразнее проводить испытания для алюминиевых сплавов, которые применяют именно в силовых элементах планера, материалы же обшивки необходимо испытывать на открытой площадке при воздействии внешних факторов в виде осадков и солнечной радиации.
Разработка методик натурно-ускоренных и циклических испытаний для всех классов материалов (для каждого материала есть свой основной фактор внешнего воздействия агрессивной среды, вызывающий его деструкцию) - одно из приоритетных направлений ГЦКИ. Так, для жаропрочных сталей, применяющихся в двигателестроении, наиболее агрессивным является воздействие высоких температур и водного раствора смеси солей, вызывающих сульфидно-оксидную коррозию. Для полимерных композиционных материалов – температура, влажность и солнечная радиация. Для защитных покрытий – солнечная радиация и эрозионный износ. Однако основным правилом при разработке методики натурно-ускоренных испытаний является то, что нельзя чрезмерно ускорять коррозионные процессы, а также воздействовать факторами, отличными от реальных условий эксплуатации изделия, так как это может в корне изменить механизм коррозионного разрушения.
8 ноября 2016 года я успешно защитила свою диссертационную работу под названием «Метод расчета интегрального коэффициента коррозионного разрушения листов из деформируемых алюминиевых сплавов при натурно-ускоренных испытаниях», квинтэссенцией которой стал метод, позволяющий оценить уровень снижения прочностных свойств конструкций из алюминиевых сплавов по результатам коррозионного воздействия с применением неразрушающих методов контроля без проведения прямых механических испытаний. Хочу еще раз поблагодарить свой коллектив ГЦКИ, а также коллег из Испытательного центра ВИАМ за помощь в проведении достаточно большого объема исследований и за искреннюю поддержку, которая ощущалась даже на расстоянии 1500 км.
Испытывать материал надо исходя из его будущего положения в конструкции
Сейчас мы основательно взялись за разработку методической базы, так как назрела необходимость актуализировать основополагающие ГОСТы по климатическим испытаниям, которые ввиду своей давности не учитывают возможности современного оборудования. На сегодняшний день существуют более точные методы по сравнению с теми, которые описаны в ГОСТах, позволяющие с большей чувствительностью оценить коррозионные характеристики.
Применительно к деформируемым алюминиевым сплавам перед разработчиками стоит сложная задача по получению оптимальной структуры, которая достигается варьированием химического состава и режима термической обработки, обеспечивающей заданный уровень механических свойств и приемлемую коррозионную стойкость, ведь эти свойства чаще всего являются взаимоисключающими. Проблема коррозии – это в некотором роде бич. Здесь натурно-ускоренные испытания позволяют оценить коррозионное поведение алюминиевых сплавов в достаточно приемлемые сроки при паспортизации нового материала. В советские годы у ВИАМ была климатическая площадка на Кубе, и по результатам исследований, проводимых тогда ведущими коррозионистами Л.Я. Гурвич и Л.И. Артмеладзе, было установлено, что уровень коррозионных потерь при испытаниях с обливом морской водой в нашем климате сопоставим с экспозицией на Кубе, которая характеризуется повышенной коррозионной агрессивностью атмосферы. Таким образом, если сплав за два года испытаний с обливом морской водой проявил высокую стойкость к расслаивающей и межкристаллитной коррозии, то можно дать оптимистический прогноз о его дальнейшем сохранении свойств и рекомендовать к применению в изделиях для всеклиматического исполнения.
Надо сказать, что результаты коррозионных испытаний не всегда предназначены для отбраковки сплава – но на их основе можно дать рекомендации по применению для материала усиленных мер защиты, регламентировать частоту периодического осмотра, обосновывать конструктивные решения – исключить образование конденсата в застойных зонах. Ведь применение защитных покрытий не является панацеей от воздействия агрессивной среды, в процессе эксплуатации невозможно исключить риск от механических повреждений, износа или истирания. А задача нашего института – разработка материалов, улучшенный комплекс свойств которых позволит повысить надежность, экономичность и ресурс изготавливаемых из них конструкций и изделий авиационной техники в обеспечение требований авиационных правил.
Вообще само проведение испытаний на новых стендах – некий прорыв, выводящий зону компетенции ВИАМ на новый уровень. Ведь прерогативой нашего института всегда был материал и все, что связано с оценкой его свойств. Приобретение уникальных стендов для испытаний крупногабаритных конструкций значительно увеличивает наши возможности по оценке поведения того же материала, но уже в составе реальной конструкции, а это уже шаг к оценке ресурса.
Натурные климатические испытания в классическом исполнении – это выставление образца на атмосферный стенд на 1–3 года, затем последующая оценка коррозионных характеристик и механических свойств. Мировая тенденция идет к тому, что данные результаты уже являются недостаточными для конструкторских бюро, так как они не характеризуют поведение материалов в условиях реальной эксплуатации. Все чаще заказчик хочет получать от нас сведения, которые дадут ему знания о поведении материала в реальных эксплуатационных условиях с высокой долей вероятности. Таким образом, программу испытаний материала необходимо разрабатывать исходя из потенциального применения материала в составе изделия, т.е. с учетом воздействия циклических и знакопеременных нагрузок, градиента термовлажностных факторов, воздействия агрессивных параметров внешней среды, в том числе в контакте с другими материалами, и прочих условий.
В качестве примера приведу испытания в ГЦКИ образцов судостроительных сталей в потоке движущейся морской воды, которые мы делали для ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей». Также испытания конструктивно-подобных образцов из стеклопластика для мотогондолы с наложением термоциклов, имитирующих взлет–посадку (ОАО «Авиадвигатель»), испытания образцов ПКМ с регламентированными ударными повреждениями, циклические испытания элементов конструкций гидросамолета Бе-200 в условиях воздействия морской воды, имитирующих взлет–посадку на воду и др.
В том же ключе была проделана интересная работа с АвтоВАЗом по исследованию материалов и защитных покрытий для LADA Granta. Два автомобиля, на определенные зоны кузовов которых мы наносили надрезы до основного металла для оценки ширины распространения коррозии от надреза, проходили в прямом смысле натурные испытания – ездили по дорогам Краснодарского края. В скрытых полостях и на кузове автомобилей были закреплены «образцы-свидетели» - небольшие пластинки кузовного материала, для которых мы потом оценивали скорость коррозии. В ходе испытаний мы получили информацию о том, какие зоны автомобиля наиболее подвержены коррозии. Результаты таких испытаний интересны не только специалистам-материаловедам и конструкторам соответствующей области машиностроения, но и автолюбителям.
Учитывая важность натурных климатических испытаний, в июле этого года ВИАМ подписал соглашение с Центром климатических исследований Сьенфуэгос (Республика Куба) о создании на кубинской территории совместной межгосударственной станции климатических испытаний для экспонирования материалов в условиях тропического климата Карибского бассейна. И это только начало. Благодаря неиссякаемому энтузиазму Генерального директора ВИАМ Евгения Николаевича Каблова, институт намерен возродить сеть центров климатических испытаний в различных регионах России и мира, утраченную с распадом СССР. Мы верим, что у нас все получится!