КОРРОЗИЯ - ГЛАВНЫЙ ВРАГ АВИАЦИИ
Кандидат технических наук С. КАРИМОВА, начальник лаборатории коррозии и защиты металлов и сплавов ВИАМа.
Лаборатория коррозии и защиты металлов вошла в состав института авиационных материалов уже в момент его образования, а создана была даже раньше - в 1927 году, еще в ЦАГИ.
Первым руководителем лаборатории стал известный советский металловед и коррозионист Г. В. Акимов.
Однажды, находясь в отпуске на Черном море, Акимов обратил внимание на то, что погруженный в воду алюминий в контакте со сталью растворяется намного активней, чем сталь. И Акимов прямо тогда на месте принялся ставить опыты, которые затем легли в основу теории многоэлектродных коррозионных процессов. Эта теория позволила разработать целую систему защиты для любых металлических материалов. По инициативе Акимова под эгидой АН СССР на Баренцевом и на Черном морях, в других районах страны была создана сеть коррозионных климатических станций для испытания материалов в натурных условиях. Сеть эта просуществовала до начала 1990-х годов.
Повышения коррозионной стойкости материала можно добиться несколькими способами. В первую очередь ее определяет состав материала. Но не меньшее влияние оказывают и способы термической и механической обработки, наличие и свойства покрытий и даже конструктивные особенности готового изделия, включая его герметичность и режимы работы. Для правильной и долгой службы изделия очень важно создать такие условия, чтобы можно было нанести на него защитные покрытия во время изготовления, обслуживать детали и контролировать их состояние в процессе эксплуатации.
Как часто случается в технике, улучшение одних свойств материала приводит к ухудшению других. Так и с коррозионной защитой: повышение химической стойкости материала может снизить механическую прочность изготовленных из него деталей. Например, при анодировании - нанесении на металлические детали анодно-окисных покрытий - увеличивается шероховатость детали. Иногда довольно значительно: например, если после механической обработки деталь имела 6-й класс поверхности, то после анодирования класс снижается до 5-го, а то и до 4-го. Может быть, это и не очень страшно, если бы снижение чистоты обработки не уменьшало, причем весьма существенно, усталостную прочность материала.
Традиционно для защиты стальных деталей применяют покрытия на основе кадмия. Кадмий и сам по себе токсичен, но долгое время для кадмирования использовали еще и очень вредные цианистые соединения. Сейчас встал вопрос об отказе не только от цианидов, но и от кадмия вообще. В Европе уже принято решение полностью запретить его применение на новых самолетах. Зато у кадмия есть замечательное свойство: по отношению практически ко всем конструкционным сплавам он имеет свойства анода; следовательно, при попадании влаги покрытие растворяется, а основной металл не страдает. Предлагаемые многими фирмами покрытия на основе никеля или сплава цинка и олова являются катодными и химически не защищают основу. Такие покрытия имеют скорее декоративный характер. Зная это, мы разработали рецептуры новых, исключительно надежных покрытий. Сейчас пока рано говорить об их составе: рецептура и технология нанесения проходят стадию патентования. Можно сказать только, что одно из покрытий сделано на основе сплава, а другое - многослойное. Слои перекрывают поры друг друга, и в результате защитные свойства получаются даже выше, чем у классического кадмия. Некоторые зарубежные фирмы, в том числе "Эрбас", уже проявили к ним интерес. Они тоже настойчиво ищут замену кадмию.
В лаборатории идут работы по созданию покрытий не только для сталей, но и для титана, а также и для высокопрочных алюминиевых сплавов. Для титана, впрочем, защита от коррозии не столь важна: этот металл весьма коррозиестойкий. Но он плохо окрашивается - почти у всех видов красок плохая адгезия к нему. Не так давно удалось создать покрытие, которое позволяет окрашивать титан.
Для защитных покрытий в авиации традиционно широко используется хром. Но и хром вреден для здоровья, он является мутагеном, аллергеном и канцерогеном. Нормы по предельно допустимым концентрациям этого метала чрезвычайно жесткие. Хотя касаются они в основном шестивалентного хрома. Трехвалентный же хром куда более "благожелателен".
В сотрудничестве с Институтом физической химии РАН на основе трехвалентного хрома разработаны новые покрытия. Оказалось, что они имеют даже лучшие свойства, а наносятся так же, как и "старые", - гальваническим способом. Пленка из трехвалентного хрома имеет аморфную структуру (в отличие от кристаллической у шестивалентного хрома). Ее твердость почти на 20% выше, и, самое главное, она не снижает усталостных характеристик основного металла. И этим покрытием очень заинтересовалась фирма "Эрбас". Наша лаборатория в Ульяновске сейчас весьма успешно разрабатывает технологию нового покрытия.
Коррозионная стойкость материала может зависеть от технологии его производства. Вот пример. Некоторое время назад большой популярностью в авиастроении пользовались так называемые прессованные панели. Для их изготовления слиток алюминиевого сплава в разогретом состоянии подвергают обработке давлением, и получают практически готовую деталь. Привлекательность такого метода в том, что, с одной стороны, деталь требует минимальной механической обработки, а с другой - приобретает высокую прочность. И все было бы хорошо, если б не коррозия. Структура материала после обработки давлением становится слоистой, и это определяет высокие механические характеристики материала. Но эта же слоистая структура подвержена так называемой расслаивающей коррозии. К сожалению, такой вид коррозионного разрушения остановить не удается: если началась расслаивающая коррозия, то деталь необратимо растет в толщину и катастрофически теряет прочность. Чтобы предупредить возникновение подобного разрушения, приходится прибегать к большому числу трудоемких дополнительных мероприятий по защите уже изготовленных деталей.
Не все исследования можно провести в закрытых помещениях. Необходимы и так называемые натурные испытания, в ходе которых образцы материалов, а иногда и готовые изделия выставляют на специально оборудованные открытые площадки и выдерживают в течение нескольких лет. Такие исследования дают незаменимые сведения о долговечности материалов в естественных условиях.
Институт имеет несколько собственных площадок для натурных испытаний: в Геленджике - для оценки влияния теплого влажного морского климата; в окрестностях Конакова исследуется влияние умеренного климата в загородных условиях, а в Москве - в условиях промышленного мегаполиса. Кроме того, институт арендует несколько климатических площадок у академических институтов , в том числе в Мурманске - для исследований в условиях морского холодного климата.
Исследования, проведенные в ВИАМе, позволили разработать комплексную систему защиты для обеспечения эксплуатации самолетов до сорока лет. За эту работу в 2001 году коллектив из 15 человек получил премию правительства России. Случай поистине уникальный: еще ни разу премий за коррозионные исследования правительство не вручало.
Рассказывать о коррозионных исследованиях можно бесконечно. Все материалы, создаваемые в ВИАМе, да, пожалуй, все материалы, используемые при строительстве самолетов и вертолетов вообще, исследуются на коррозионную стойкость в нашей лаборатории.
Но нам приходится иметь дело не только с авиационными материалами. Сейчас лаборатория проводит обследование скульптуры "Рабочий и колхозница". Сооружение простояло под открытым небом более 70 лет и, хотя изготовлено из нержавеющей стали, оказалось основательно подпорченным. Фигуры собраны, как из мозаики, из небольших тонких стальных листов, скрепленных точечной сваркой. За время существования скульптуру трижды разбирали; отдельные фрагменты утрачены. Когда на Парижской международной выставке в 1937 году после перевозки из СССР монумент собирали, некоторые части, как говорят, "не сошлись", и пришлось на месте добавлять несколько элементов. К сожалению, серьезных "болячек" на теле рабочего и колхозницы довольно много. Казалось бы, можно просто заменить дефектные элементы их точными копиями, но на самом деле делать этого нельзя. Если заменить более 30% оригинальных элементов, произведение перестанет быть авторским, то есть потеряет свою историческую и художественную ценность. В связи с этим некоторые "язвы" придется залечивать, не заменяя листов, изымая пораженные участки и вваривая лазерной сваркой небольшие заплаты. Совместно с нами по этой теме работает лаборатория неразрушающих методов контроля. Ее сотрудники разработали оригинальный метод фотографирования пораженных коррозией участков. В результате на цветном снимке все пораженные места получаются окрашенными в ярко-красный цвет. Для проведения полного анализа состояния скульптуры нам пришлось сфотографировать все (!) листы, из которых создано это произведение. Их оказалось более шести тысяч.
Но скульптура не только поражена коррозией. Она еще и просто очень грязная, и мы провели довольно большую работу, подбирая моющий состав. Очень важно было найти такое средство, которое не повредило бы материал композиции. И его нашли. Кстати, эта проблема вполне актуальна и для другой известной скульптуры - памятника Юрию Гагарину на Калужской площади.
В нашей лаборатории разработаны специальные пасты, которые позволяют существенным образом замедлить процесс коррозии. После покрытия таким материалом на поверхности металла образуется пассивная пленка, препятствующая развитию коррозионного процесса. Теперь есть уверенность, что если скульптуру соберут вновь, то она простоит еще долгие годы.
См. в номере на ту же тему
Е. КАБЛОВ - ВИАМ - национальное достояние.
А. ЖИРНОВ - Крылатые металлы и сплавы.
М. БРОНФИН - Испытатели - исследователи и контролеры.
И. ФРИДЛЯНДЕР - Старение - не всегда плохо.
Б. ЩЕТАНОВ - Тепловая защита "Бурана" началась с листа кальки.
С. МУБОЯДЖЯН - Плазма против пара: победа за явным преимуществом .
БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.
Э. КОНДРАШОВ - Без неметаллических деталей самолеты не летают.
И. КОВАЛЕВ - В науку - со школьной скамьи .
А. ПЕТРОВА - Посадить на клей.
Читайте в любое время
