«ТН» продолжают рассказывать о сотрудничестве институтов томского Академгородка с космической отраслью страны. Один из них – Институт физики прочности и материало­ведения СО РАН. Фундаментальные исследования по космической тематике в тесном контакте здесь ведут молодежная лаборатория локальной металлургии в аддитивных технологиях под руководством директора института Евгения Колубаева и лаборатория контроля качества материалов и конструкций, которую возглавляет Валерий Рубцов. О том, чем они занимаются, наш материал.

Сварной прочнее шов!

Космос – это агрессивная среда, которая предъявляет очень высокие требования к свойствам материалов. Слабым звеном любого элемента космического аппарата является сварной шов. Он всегда будет уступать в прочности остальной конструкции, но требуется, чтобы этот показатель был никак не меньше 90%. Одна из перспективных технологий сварки, позволяющих достигать таких значений, – сварка трением с перемешиванием. Это такой метод сварки, при котором материалы не плавятся, а соединяются в твердой фазе за счет перемешивания в сверхпластичном состоянии.

Впервые с этой технологией в ИФПМ СО РАН познакомились в 2013 году, когда по заказу РКК «Энергия» приступили к разработке комплекса для контроля качества сварных соединений, полученных таким способом. Тогда же родилась идея об усовершенствовании этой передовой технологии. В рамках проекта ФЦП научный коллектив под руководством Евгения Колубаева разработал технологию сварки трением с перемешиванием ­с ультразвуковым воздействием, достигнув барьера прочности в 93% для алюминиевого сплава Д16.

Сегодня ученые работают не только с традиционными материалами, но и с очень специфическими – трудносвариваемыми высоко­прочными сплавами. К их числу относится, например, алюминиевый сплав 01570C, который будет использован для изготовления космического корабля нового поколения «Орел». Наличие в его составе скандия поз­воляет существенно повысить предел текучести и за счет этого на четверть снизить вес различных конструкций космического корабля. Исследования, связанные с этим сплавом, успешно ведет молодой кандидат технических наук Татьяна Калашникова. Оптимальные методы получения разнородных сварных соединений титана и алюминия ищет молодежный коллектив в составе аспирантов Алихана Амирова и Светланы Ермаковой под руководством кандидата технических наук Александра Елисеева.

В числе решаемых сегодня практических задач – создание совместно с индустриальным партнером ЗАО «Сеспель» (г. Чебоксары) крупно­габаритного оборудования для изготовления конструкций ракетно-космической техники из алюминиевых и титановых сплавов. По словам ученых, такое оборудование уникально не только для России, оно не имеет аналогов в мире.

Шар-баллон за две недели

Другое направление в интересах освоения космоса, которое развивается в ИФПМ СО РАН при активном участии молодых ученых, – это аддитивная технология, то есть технология послойного наращивания металлических или полиметаллических изделий из проволоки с использованием электронного луча. Изделия, полученные таким образом, в отличие от созданных с помощью порошковых технологий практически не имеют пор, поэтому их усталостные и прочностные характеристики выше. Протекание процесса в вакууме также позволяет предотвратить окисление получаемого металлического изделия. Наконец, немаловажным достоинством технологии является низкая себестоимость сырья.

– Всего за несколько последних лет в институте сформирован мощный задел по этому направлению, – рассказывает Валерий Рубцов. – В рамках выполнения ФЦП созданы три установки электронно-­лучевого аддитивного производства, две из которых являются крупногабаритными. Одна из крупно­габаритных установок передана нашему индустриальному партнеру – ЗАО «Сеспель», две другие сегодня с полной загрузкой работают в ИФПМ СО РАН.

Молодые ученые изучают свойства материалов, работающих в космосе, создают сплавы нового поколения с улучшенными свойствами, участвуют в развитии современных технологий. Разработанные с их участием уникальные установки работают в интересах промышленных партнеров – РКК «Энергия», РКЦ «Прогресс», чебоксарского предприятия «Сеспель».

Сейчас ученые совместно со специалистами чебоксарского предприятия по запросу ракетно-космического центра «Прогресс» разрабатывают аддитивную технологию изготовления криогенных шаров-баллонов из титанового сплава ВТ6, которые предназначены для хранения газов под высоким давлением и устанавливаются на каждом космическом аппарате. Обычно на изготовление одного такого шара-баллона уходит от полугода, новая же технология позволит сократить этот срок до одной-двух недель. Произведенный в институте прототип пятилитрового шара-баллона выдержал испытания на прочность – давление больше 400 атмосфер. Следующим шагом станет изделие вместимостью 58 литров, а в перспективе – до 130 литров с организацией производства всей линейки на «Прогрессе». За материаловедческую часть новой технологии отвечает аспирант лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях Кирилл Калашников.

Как отмечают разработчики, очень скоро различные детали и элементы конструкций можно будет получать не из одного материала (типа проволоки), а из нескольких. Под руководством кандидата технических наук Андрея Чумаевского сотрудниками молодежной лаборатории активно изучается возможность работы с разнородными материалами, что позволит получать полиметаллические изделия с уникальными свойствами, которые будут востребованы в космосе.

Уже в ближайшем будущем

Успешное сотрудничество ИФПМ СО РАН с крупнейшими предприятиями космической отрасли России позволяет ставить и новые задачи. От РКЦ «Прогресс» получено предложение о совместном создании нового ГОСТа по изготовлению изделий ракетно-космической техники по технологии проволочного электронно-лучевого аддитивного производства. С РКК «Энергия» согласовано техническое задание на выполнение научно-исследовательских работ, целью которых является получение конструкций космического аппарата методом послойного выращивания и изучение возможности использования этой аддитивной технологии в условиях открытого космоса. На этапе согласования находится техническое задание на проведение в 2022 году эксперимента на борту МКС. Космический эксперимент предполагает печать образцов за бортом станции, институт должен разработать всю необходимую 3D-аппаратуру и программное обеспечение для нее.

Автор: Ольга Булгакова