Композиционные материалы, превосходящие по своим свойствам буровой инструмент всемирно известных брендов разработаны в Якутии

YAKUTIA.INFO. Это лаконичное прямоугольное серо-белое здание, построенное в стиле советского модернизма 1970-х годов в самом начале улицы Октябрьской, знакомо практически каждому жителю города Якутска. Здесь располагается уникальное учреждение науки — «Институт физико-технических проблем Севера имени В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук», с прошлого года вошедшее обособленным подразделением в Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр СО РАН».

В этом году ИФТПС СО РАН исполнилось 50 лет. Институт возник в период рассвета советской науки, пережил развал СССР, тяжело сказавшийся на всей системе науки и образования республик, входивших в состав крупнейшей мировой державы, и благополучно адаптировался к современным реалиям рыночной экономики — тесно сотрудничает с крупными промышленными предприятиями и с уверенностью смотрит в будущее. В этом большая заслуга принадлежит первому из народа Саха академику Российской академии наук Владимиру Петровичу Ларионову, много лет возглавлявшему этот уникальный Институт, который обеспечивал решение проблем больших промышленных предприятий, научное сопровождение технических проектов по созданию и эксплуатации сложных технических систем в суровых климатических условиях Якутии.

С 1990-х годов финансирование науки со стороны государства кардинально изменилось. Сейчас в России развито проектное финансирование научной деятельности. В частности, уже более 25 лет Институт ведёт работу по проектам Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). О научных разработках, реализуемых в рамках российских грантов подробно рассказал директор ИФТПС СО РАН, доктор технических наук, действительный член Академии наук Республики Саха (Якутия) Валерий Валерьевич Лепов. 

В Институте физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН в рамках школы северного материаловедения совместно с учёными из Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Института металлургии и металловедения им. А.А. Байкова РАН разработаны научные основы создания хладостойких сталей и сплавов, их сварных соединений, предотвращения образования холодных трещин и хрупкого разрушения металлоконструкций. Эти работы в настоящее время привели к созданию ряда хладостойких сталей, включая стали и сплавы повышенной прочности с субмикро- и наноразмерной структурой. Кроме повышения прочности, только за счет управления структурой удалось повысить хладостойкость и износостойкость таких сталей и сплавов. К сожалению, из-за необходимости больших вложений в инфраструктуру и оборудование для серийного производства, эти разработки в промышленности пока не применяются. Внедрение их в жизнь позволит решить проблемы завоза запчастей для северной техники, недостатка качественных хладостойких и высокопрочных материалов.

Накопленный коллективом Института теоретический и практический задел был использован и при выполнении Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по направлению «Нанотехнологии и наноматериалы». При выполнении работ, в которых участвовали все отделы хладостойкости, разрабатывалась и испытывались всесезонные конструкционные элементы и инструменты повышенной прочности из наноструктурированных сталей для нефте- газо- трубопроводного, железнодорожного транспорта, техники и оборудования, предназначенных для эксплуатации в условиях Севера. Тогда совместно с Московским институтом электронной техники был разработан и применён разрывной сканирующий электронный микроскоп.

При личном содействии академика Владимира Петровича Ларионова с 2000 года у научных сотрудников ИФТПС появилась возможность принимать участие в Программе фундаментальных исследований Президиума РАН и специализированных отделений РАН. Каждый год результаты работ по этим проектам входили в «золотой» фонд важнейших результатов Сибирского отделения РАН и Объединенных ученых Советов РАН, в частности Объединенного ученого Совета по механике РАН.
 

В рамках различных российских проектов фундаментальных исследований (специализированных отделений и Президиума РАН) в ИФТПС разрабатывались теоретические аспекты получения и исследовались свойства получаемых износостойких газотермических покрытий со специальными тугоплавкими и редкоземельными добавками из месторождений Республики Саха (Якутия). Они разрабатывались совместно с учёными из Комсомольска-на-Амуре, и демонстрируют целый комплекс уникальных для наших условий свойств.

В последние годы в Институте проводятся работы по оценке надежности транспортных и энергетических систем, эксплуатирующихся в экстремальных климатических условиях, повышению прочности и стойкости к биоповреждениям наномодифицированных базальтокомпозиционных материалов, разработке моделей взаимодействия оттаивающего и промерзающего грунта с линейными объектами, такими как трубопроводы натурального газа и нефтепроводы.

Так, проведен анализ и сравнение аварийных ситуаций в системе энергоснабжения страны за период 2013-2017 годов и за 2018 год, согласно данным, предоставленным Министерством энергетики Российской Федерации, Государственной статистики, Единой межведомственной информационно-статистической службы и энергетическими компаниями, а также данным, полученным собственными силами Института при обследовании аварий в Республике Саха (Якутия). Оказалось, что наибольшее количество аварий связано с повреждением или отказом турбин, вспомогательного тепломеханического оборудования и генераторов. Причиной поломок оборудования становится интенсивный режим работы агрегатов, связанный с высоким температурным перепадом на ответственных узлах, «человеческий фактор» и физическое устаревание оборудования.

Эти работы продолжены с применением современных методов моделирования. Так, в рамках проекта РФФИ в Институте разработана модель оценки влияния низких температур и водорода на процесс накопления повреждений, учитывающая активационный характер хрупкого разрушения. Расчет показал сильную зависимость темпа накопления повреждений от уровня напряжений и от содержания в материалах водорода и температуры. Особенно опасным представляется сочетание низких температур и высокого содержания водорода в металле, что характерно для сварных соединений конструкций, эксплуатируемых в условиях Арктики и Субарктики. Даны рекомендации по использованию полученных соотношений в численных моделях, а также предложены пути повышения хладостойкости сталей и сплавов. Получено свидетельство на алгоритм расчета ресурса локомотивных колёс.

Ждут своего более широкого применения и специальные композиционные материалы, полученные по уникальной капиллярной технологии спекания наноалмазов со сплавами на основе меди, железа, никеля и титана, по показателям износостойки превышающие известные образцы бурового инструмента всемирно известных брендов. Но проблема снова в необходимости доведения технологий до серийного производства, что требует больших начальных вложений, на науку сейчас не выделяемых.

В рамках проектов Российского научного фонда в ИФТПС осуществляются исследования по разработке и применению в условиях холодного климата методов адаптивной импульсно-дуговой сварки и наплавки, развиваемых совместно с Томским Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН. Эффективностью процесса сварки и свойствами получаемых соединений управляют с помощью контроля за процессом образования капель жидкого металла кратковременными миллисекундными импульсами. Для этого применяют специальные инверторные источники питания, испытанные и доработанные для условий Якутии согласно рекомендациям учёных ИФТПС СО РАН.

Подчеркнем, что несмотря на финансовые трудности, ряд научных достижений и разработок, появившиеся благодаря проектному финансированию научной деятельности, внедряются в жизнь и улучшают качество жизни людей, проживающих в холодных регионах страны.