Машиностроительная академия и физическая химия – точки соприкосновения

В прошлом номере мы открыли новую рубрику – «Научные школы и лаборатории ДГМА». В этом номере мы расскажем о лаборатории «Физико-химические свойства металлических расплавов». Наш выбор не случаен – недавно руководителю лаборатории профессору Турчанину М.А. была присуждена Государственная премия Украины в области науки и техники.

В окружающем нас мире многие используемые материалы имеют металлическую природу, и, конечно же, металлы играют важнейшую роль в машиностроении. Действительно, чаще всего в своей жизни мы сталкиваемся со сплавами на основе железа, меди, алюминия и т. д. Для того чтобы улучшить свойства существующих сплавов, оптимизировать технологические процессы их получения и разработать новые материалы, которые по уровню своих свойств отвечают требованиям, предъявляемым современной промышленностью, необходимы четкие представления о характере взаимодействия компонентов сплавов. Со всеми этими задачами может справиться физическая химия, которая рассматривает сплавы на уровне их фазового состава и термодинамических свойств фаз.

Научное направление «Исследование термодинамических свойств неорганических веществ» в тогда еще Краматорском индустриальном институте (КИИ) было основано в 1972 г. лауреатом Государственной премии УССР, доктором химических наук, профессором, ректором КИИ Турчаниным Анатолием Григорьевичем. Под его руководством была создана лаборатория «Термодинамика тугоплавких соединений», в которой проводились исследования термодинамических свойств карбидов и карбонитридов титана, циркония, гафния, ванадия, тантала, ниобия, хрома, молибдена, вольфрама. Интерес к таким соединениям был не случаен, поскольку композициям на их основе присущи уникальные свойства, такие как тугоплавкость, высокие твердость и износостойкость, высокая химическая устойчивость и высокие значения модуля упругости. Это обусловливало их широкое применение в различных отраслях техники при производстве быстрорежущего инструмента, абразивных и шлифующих материалов, композитных материалов, нанесении специальных покрытий на режущий и формообразующий инструмент, а также при создании жаропрочного покрытия космического челнока «Буран». Создание таких материалов невозможно без учета характера взаимодействия компонентов в соответствующих соединениях, что и являлось основным научным интересом А. Г. Турчанина.

Дальнейшее развитие представлений о природе взаимодействия неорганических веществ в нашем вузе было продолжено Турчаниным Михаилом Анатольевичем, который в 1989 г. предложил Комплексную программу исследований термодинамических свойств жидких металлических расплавов. В соответствии с этой Программой в 1990 г. было сделано техническое предложение по созданию высокотемпературной установки для исследования теплот образования жидких металлических сплавов и заключен договор Х–06–90 НТР на выполнение работы «Создание высокотемпературной калориметрической установки для исследования термодинамических свойств жидких металлических расплавов». Таким образом, 1 февраля 1990 г. – когда начались работы по теме Х–06–90 НТР – можно считать Днем рождения лаборатории «Физико-химические свойства металлических расплавов».

На сегодняшний день научная работа лаборатории «Физико-химические свойства металлических расплавов» охватывает широкий спектр проблем физической химии металлических систем, материаловедения, теории металлургических и литейных процессов. Над решением этих проблем в лаборатории ФХСМР трудятся сотрудники кафедры ТОЛП: профессор, д-р хим. наук Турчанин М.А., ст. преп., канд. хим. наук Агравал П.Г., ст. преп., канд. хим. наук Абдулов А.Р. и асс., канд. хим. наук Древаль Л.А.

Экспериментальные исследования нацелены на изучение характера взаимодействия компонентов в жидких сплавах с участием таких широко используемых в машиностроении металлов, как железо, медь, никель, кобальт, титан, цирконий и др. Теоретические исследования посвящены моделированию свойств исследованных жидких сплавов, построению диаграмм состояния и разработке фундаментальных основ получения различных функциональных материалов, таких как аморфные и нанокристаллические сплавы, пересыщенные твердые растворы, жаропрочные материалы и композиционные литые сплавы. Учеными лаборатории впервые в Украине освоен новый метод расчета фазовых равновесий – CALPHAD-метод. Это позволяет проводить анализ полученных экспериментальных результатов и выполнять теоретические расчеты на уровне, который соответствует самым высоким мировым стандартам.

За более чем двадцатилетний период в работе лаборатории приняли участие около двадцати сотрудников КИИ и ДГМА и примерно столько же студентов и магистров. Этим коллективом был проделан гигантский объем экспериментальной и теоретической работы. С использованием высокотемпературного изопериболического калориметра в интервале температур 1100–1700 °С были исследованы термодинамические свойства жидких сплавов более 50 двухкомпонентных и 12 трехкомпонентных систем. Эти результаты были получены в ходе выполнения восьми научных тем, финансирование которых осуществлялось за счет средств государственного бюджета и было получено на конкурсной основе. Научные публикации по темам исследований, а их более 200, выходили в ведущих украинских, российских и мировых журналах, таких как «CALPHAD», «Metallurgical and Materials Transactions», «Journal of Alloys and Compounds», «Journal of Non-Crystalline Solids», «Металлы», «Расплавы», «Журнал физической химии», «Порошковая металлургия». Ежегодно сотрудники лаборатории принимают участие в нескольких международных научно-технических конференциях, которые проходят не только в Украине, но и в таких странах, как Германия, Испания, Франция, Великобритания, Польша, Сербия, Южная Корея, Индия, Россия, Казахстан.

Выполненные в лаборатории исследования по физической химии металлических расплавов, а также теории металлургических и литейных процессов стали фундаментом для 1 докторской и 3 кандидатских диссертаций, 12 квалификационных работ магистров и специалистов.

Такая бурная и результативная деятельность коллектива не могла не привести к тому, что разработки и публикации сотрудников лаборатории заинтересовали специалистов ведущих научных центров в Украине и во всем мире. Деятельность ученых была неоднократно поддержана грантами Украины и Международного научного фонда Института открытого общества США, фонда «Возрождение» (фонд Сороса). Ученые лаборатории плодотворно сотрудничают с ведущими научными центрами: Институтом проблем материаловедения и Институтом металлофизики НАН Украины, Киевским национальным университетом имени Тараса Шевченко, Казахским национальным техническим университетом им. К.И. Сатпаева, Институтом физической химии конденсированного состояния вещества (Германия), Международным Центром химии веществ и фазовых диаграмм (Германия). Результаты исследований и проведенные в рамках проекта Materials Science International (MSI) Team экспертные оценки систем включены в европейские справочные издания. В сотрудничестве с фирмой MSI активное участие принимает весь коллектив лаборатории. Совместные статьи сотрудников лаборатории с ведущими корифеями европейской науки в области строения фазовых диаграмм были включены во всемирно известные справочные издания «Landolt-Boernstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology (New Series). GroupIV: Physical Chemistry» и представлены в международной интерактивной базе данных MSI Eureka.

Высокий уровень исследований, проводимых в лаборатории ФХСМР, был оценен на государственном уровне. Указом Президента от 18 мая 2012 года № 329/2012 в составе авторского коллектива проф. Турчанин М.А. был удостоен Государственной премии Украины в области науки и техники за 2011 год за работу «Многокомпонентные системы для создания новых материалов: структура, термодинамика, фазовые равновесия».

В дальнейших планах ученых лаборатории – продолжение высокотемпературных экспериментальных исследований жидких сплавов. Научных групп, занимающихся подобными исследованиями, в мире не так много, и данные, получаемые в стенах Академии, представляют значительный интерес. Руководитель лаборатории проф. Турчанин М.А. убежден, что рассмотрение физико-химических особенностей взаимодействия компонентов сплавов в ходе различных процессов может стать важным объединяющим звеном в работе различных специалистов Академии: литейщиков и сварщиков, обработчиков металлов давлением и резанием. Будущее машиностроительных технологий тесно связано с использованием тонких методов физико-химического анализа, развитием соответствующих экспериментальной базы и приборных возможностей. Подобный подход, объединяющий большое производство и фундаментальную науку, уже много лет практикуется в Европе и мире. Наша Академия по праву занимает место научного лидера в промышленно развитом регионе Северного Донбасса, и для сохранения таких позиций в стремительно развивающемся мире ей необходимо быть в авангарде во всех сферах своей деятельности.

Александр Абдулов, пресс-секретарь МФ