Главная

Интервью с начальником cектора «Исследования причин разрушения и фрактографический анализ» Лаборатории металлофизических исследований, кандидатом технических наук Сергеем Александровичем Наприенко.

В ВИАМ молодой ученый работает с 2007 года. В своей деятельности опирается на дедуктивный метод и сравнивает научную деятельность сектора с работой в детективном жанре: здесь также большим подспорьем является увеличительное стекло и при этом жизненно важно найти источник проблем. В данном случае – при разрушениях деталей – чтобы сделать эксплуатацию различных агрегатов безопаснее.

- Сергей Александрович, в чем состоит задача фрактографиста?

- Нашу работу можно сравнить с поиском детективов-криминалистов. Мы выявляем причины разрушения той или иной детали: докапываемся до корня проблемы, при этом в нашем арсенале прибегаем к помощи увеличительных стекол, хотя и очень больших.

- Сразу всплывает образ этакого Шерлока Холмса с его дедуктивным методом!

- Безусловно, мы именно такой метод и используем. Отсекаем лишнее, нелогичное. И хотя иногда деятельность наша бывает основана на монотонных и весьма трудоемких приемах, но при этом, как и в музыкальном этюде, красива и полезна. Общественно полезна! Основной наш инструмент – микроскоп.

Наша задача – определить особенности разрушения, то есть установить специфику зарождения и развития трещины. Целью наших исследований является определение того, «кто виноват» в данном разрушении, и «что делать», чтобы подобные случаи не повторялись.

Под прицел наших микроскопов попадают не только авиадетали, но и в принципе любые детали или конструкции, которые разрушились в процессе эксплуатации. Но стоит отметить, что многие гражданские агрегаты берут свое начало в авиации, например конструкции газотурбинных двигателей, используемых на самолетах, дорабатываются и используются в качестве наземных газотурбинных установок, например на газоперекачивающих или теплоэлектростанциях.

- Какие наиболее частые виды разрушений вам приходится наблюдать?

- В основном, встречаются два типа. Разрушение может произойти однократно – как правило, это нештатные ситуации. Например, попадание в деталь постороннего предмета, что приводит к статическому разрушению.

Когда трещина развивается в результате циклических нагрузок (а таких случаев большинство), это пример развития разрушения по усталостному механизму.

- Если разрушение произошло, как происходит разбор ситуации?

- Разрушение любого агрегата, а особенно авиационного – это, конечно, событие чрезвычайное. Поэтому, как правило, сразу собирается комиссия – группа профессионалов, представляющих различные направления отрасли, которые принимали участие в создании и эксплуатации этой детали, элемента конструкции, двигателя. В эту группу входят конструкторы, которые разработали данный агрегат, технологи, которые его изготовили, металловеды, которые создали материалы для деталей, и представители эксплуатирующей организации. Не трудно представить, что переговоры внутри этой группы бывают весьма напряженные. Стороны отстаивают свою позицию.

- Насколько вообще сложно при такой «первой встрече» с материалом понять причину разрушения?

- Изначально весьма сложно определить очаг и причину разрушений, так как при разрушении того же двигателя поражается значительная его часть, а дестабилизация всего лишь одной детали или попадание в нее постороннего предмета может привести к гибели всего механизма. Каждый раз перед нами предстает «тайна века», при этом что-то похожее вроде уже где-то видел.

Но, надо заметить, что различные виды развития трещин отличаются своими характерными особенностями. Это, своего рода, «почерк трещины». Мы располагаем обширной базой примеров и описанием различных разрушений, полученных на основе испытаний в конкретных заданных условиях. Поэтому, когда мы смотрим на реальный излом, мы определяем его тип, исходя из имеющегося опыта.

Во многих случаях комиссия склонна сетовать на изъяны материала. Но эту версию и легче всего проверить: каждый материал ВИАМ имеет паспорт, технические требования, также есть конструкторская документация, в которой указаны требования к материалу. Достаточно провести последовательный ряд механических испытаний и исследований материала, чтобы отсечь ошибочные предположения, признав материал соответствующим требованиям, или наоборот.

- Возможна ли ошибка при определении типа разрушения?

- Несмотря на большую долю типичных разрушений, я предпочитаю практику возвращения, не тороплюсь с вынесением окончательного вердикта. Стоит взять небольшой тайм-аут и через какое-то время вновь рассмотреть поверхность разрушения – бывает, что при «втором приближении» выявляются важные нюансы, на которые сразу внимания не обратили.

Кроме того, фрактографисты – тоже люди, и в нашей работе есть большая доля субъективной оценки. Конечно, от субъективизма надо отходить. Мы с коллегами думаем, как решить эту проблему. В поисках более объективных методов определения характера развития трещин я вижу свою нынешнюю цель.

Например, с моим коллегой Павлом Николаевичем Медведевым (он специалист по рентгеновским исследованиям) мы ведем поиск однозначных объективных показателей изломов, полученных тем или иным способом, в которых мы будем иметь дело с конкретными цифрами и значениями. Таким образом, сможем точно и однозначно определить условия, при которых развивалась эксплуатационная трещина.

- Все ли можно увидеть с помощью рентгена?

- Когда речь идет о поиске причин разрушения, важен комплексный подход, который воплощает наша лаборатория. Мы исследуем особенности микроструктуры материала и строения изломов на различном уровне с применением различного оборудования – оптического, просвечивающего, растрового электронного микроскопов, используем рентгеноструктурный и рентгеноспектральный методы анализа.

Каждый случай разрушения или исследований в этой области предполагает применение определенных методов и подходов, что в итоге дает интересные результаты. Например, мы рассматривали случай разрушения газотурбинной установки – разрушился диск из титанового сплава. Метод просвечивающей электронной микроскопии (этим методом можно увидеть даже расположение атомов в кристаллической решетке) позволил выяснить, что в результате эксплуатации деталь подвергалась температурам, значительно превышающим расчетные. Произошло выделение мелкодисперсных частиц, которые другими методами мы бы не увидели.

Возможности оптического микроскопа, например, по увеличению и глубине фокуса существенно ограничены в сравнении с растровым. В то же время на оптике можно получать очень красивые и важные результаты. Это обусловлено тем, что в качестве источника используется видимый свет, это приводит к формированию цветных изображений. В то время, как на электронных микроскопах в качестве источника используют пучок электронов, следовательно, изображение формируется в оттенках серого. Весьма редки случаи, когда в процессе исследования достаточно одного метода. Коллаборация методических подходов, технологий и различной вспомогательной техники приводит к верному решению. При этом нередки случаи, когда для подтверждения предполагаемой причины разрушения приходится моделировать в лаборатории условия работы детали в эксплуатации.

- Получается, работа над каждым случаем в вашем секторе, как правило, коллективная?

- Все верно, также у каждого есть возможность проявить себя. Любой специалист, по профилю которого на исследование поступили материалы, становится руководителем группы, которую он собирает для решения конкретной задачи. В такой группе организатор может быть ниже по должности, так как мы исходим не из иерархии, а из проблемы, которую предстоит решить.

- Ложатся ли полученные выводы относительно различных разрушений в основу создания неразрушающихся материалов?

- Если говорить об эксплуатационных разрушениях, то наши рекомендации направлены на то, чтобы подобные разрушения больше не повторялись. В каких-то случаях необходимо изменить конструкцию, в каких-то – обработку поверхности, иногда надо скорректировать режимы работы, иногда даже заменить материал, из которого изготовлена конкретная деталь. Вариантов не перечесть. Исходы могут быть различными после разбора конкретных разрушений из реальной практики.

Неразрушающихся материалов не существует. В авиации есть такой термин «безопасная повреждаемость». Как понятно из названия, речь идет о повреждениях, которые безопасны для эксплуатации авиационной техники. Дело в том, что в процессе работы материал деталей «устает» и начинают развиваться трещины. Эти трещины являются неопасными до момента достижения ими критической длины, при которой оставшаяся несущая способность детали не может выдержать заданных нагрузок. Зная предельную длину, скорость развития усталостной трещины в материале при заданных условиях эксплуатации, а также сопоставив это с возможностями методов неразрушающего контроля, можно определить регламенты осмотров различных деталей таким образом, чтобы длина трещины между осмотрами не могла превысить критического значения.

Если говорить о научных исследованиях, анализируя изломы, полученные при испытаниях, мы получаем картину поведения тех или иных групп материалов в различных условиях.

В рамках той же статики возможны различные механизмы разрушения. Так, пластичное статическое разрушение формируется вязким ямочным рельефом. Наглядно это можно представить на кусочке сливочного масла. Намажем кусочек на плоскую поверхность и сверху прижмем другой плоской поверхностью, а затем оторвем ее. Таким образом, получим те самые «вязкие ямочки». А если то же самое масло заморозить в морозилке и расколоть ножом, то полученный скол – это хрупкое разрушение. То есть один вид материала может вести себя в разных условиях по-разному, а в рамках группы сплавов у каждого сплава есть свои особенности разрушения, характерные именно для него. Например, в моей кандидатской диссертации исследования были посвящены анализу влияния различных сред на процесс разрушения титановых сплавов. В морской воде, как оказалось, трещиностойкость титанового сплава ВТ3-1 снижается в три раза, по сравнению с открытым воздухом в то время, как коррозионным повреждениям данный материал практически не подвержен. Это связано со сменой механизма разрушения: с вязкого ямочного на воздухе – на хрупкий скол в морской воде.

Самое опасное разрушение – межзеренное. У поликристаллических материалов есть границы зерен, и если мы наблюдаем в изломе межзеренное разрушение, это значит, что усилия, которые металловед вложил в создание материала – напрасны, потому что границы зерен материала ослаблены. Это может быть связано, например, с неправильной термической обработкой.

- Ваш сектор испытывает все материалы, которые создаются в ВИАМ?

- Безусловно. Необходимость такой превентивной работы определена практикой эксплуатации. Но всегда есть что-то, что еще недоисследовано.

Перо лопатки работает в экстремальных условиях с точки зрения температуры и нагрузки, так как в процессе эксплуатации сгоревшая топливовоздушная смесь попадает именно на него. А замок лопатки (элемент крепления ее к диску) работает при значительно более низких температурах. Наблюдаются случаи эксплуатационных разрушений именно по замкам лопаток, что обусловлено снижением свойств материала при условно средних температурах. Данный эффект заметили уже при эксплуатации.

Я занимаюсь исследованиями разрушения именно металлических материалов, однако другие группы материалов не обделены вниманием нашего сектора. Исследованиями в области разрушения углепластиков занимается ведущий научный сотрудник сектора к.т.н. Артем Игоревич Гуляев. Исследования керамических и металлокерамических материалов ведет ведущий инженер сектора к.т.н. Сергей Викторович Житнюк.

Аддитивные технологии создания материалов также привносят в нашу работу элемент новизны. Нетрадиционная методика получения традиционных сплавов, естественно, предполагает изменения в формирующейся структуре в процессе синтеза этих материалов, при этом внося коррективы и в особенности их разрушения.

- Учитывая технологические прорывы, возможно ли создание неразрушающегося материала?

- В ближайшей перспективе вряд ли мы увидим что-то универсальное. Каждый конкретный материал создается под конкретные задачи. Усиливая одну сторону сплава, приходится жертвовать другими характеристиками, это всегда некий баланс свойств. Невозможно создать материал, который был бы очень легким и прочным при различных температурах, и в то же время обладал бы высокой пластичностью. При этом бывают случаи, в которых могут требоваться диаметрально противоположные свойства.

- Кстати, почему вы выбрали такую необычную профессию?

- В школе я четко осознавал интерес к техническим наукам, но о такой науке, как материаловедение, ничего не знал. После окончания школы я попал в целевую программу строящегося тогда в Геленджике (оттуда я родом) Центра климатических испытаний, по которой, закончив МАТИ в Москве, я должен был вернуться работать в свой родной город.

В 2007 году, на третьем курсе института, я начал работать в лаборатории металлофизики ВИАМ, на участке оптической металлографии. По сложившейся традиции, которую ВИАМ успешно развивает в сотрудничестве с вузами, я продолжал обучение и при этом нарабатывал практические компетенции.

В 2009 году я начал осваивать фрактографию титановых сплавов под наставничеством к.т.н. Людмилы Васильевны Проходцевой, очень известного и талантливого специалиста в этой области, в то время ведущего научного сотрудника ВИАМ. Дальнейшее мое становление как ученого связано с д.т.н. Михаилом Романовичем Орловым (тогда заместителем начальника Испытательного центра ВИАМ). Этот человек в прямом смысле заразил меня наукой. Именно с тех пор, как я стал плотно работать с ним по эксплуатационным разрушениям, выезжать в командировки, осознал свою причастность и важность этой работы, почувствовал свою значимость в этом процессе. Все это поглотило меня настолько, что я до сих пор не могу остановиться, чему необычайно рад.