Трение – это беда каждой машины. Когда подвижные части машины трутся друг о друга, это требует большей энергии для того, чтобы их двигать, машина не работает эффективно, и трущиеся детали имеют тенденцию изнашиваться с течением времени.

Исследователи Лаборатории Министерства Энергетики США в Эймсе (U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory) в сотрудничестве с другими исследовательскими лабораториями, университетами и промышленными партнерами разрабатывают очень твердые и прочные покрытия с очень малыми коэффициентами трения.

Особый интерес разработчиков направлен на разработку покрытий деталей турбин водяных и гидравлических насосов. При запуске насосов, трение ротора с корпусом (статором) существенно повышает пусовой момент и, соответственно, энергию, необходимую для запуска и установления рабочего режима. Неоптимальные режимы эксплуатации приводят к быстрому износу деталей.

Группа Брюса Кука (Bruce Cook) в Эймской лаборатории совместно с учеными из Университета Штата Айова (Iowa State University) исследует бор-алюминий-магниевые керамические слои, созданные 8 лет назад в той же самой лаборатории. Такие покрытия, имеющие аббревиатуру БАМ (BAM), показали тогда исключительную твердость, и исследовательские работы были продолжены. В программу также включена также и другую разновидность потенциально износостойких покрытий – борид титана.

На фотографии приведен процесс нанесения AlMgB14 покрытия методом импульсного лазерного напыления на подложку (слева). Яркое перо в центре – плазма материала покрытия, «выбитого» лазерным лучом из твердотельной мишени (справа).

Во многих приложениях гораздо эффективнее и дешевле применить твердые и износостойкие достаточно тонкие поверхностные покрытия трущихся поверхностей, чем изготавливать всю деталь из дорогого материала, например, керамики. Импульсное лазерное напыление является одним из современных и очень универсальных методов нанесения покрытий с различными свойствами. Метод позволяет наносить многослойные покрытия различной толщины и свойств на подложки (детали) сложной конфигурации. Другим перспективным методом в данной области ученые считают магнетронное распыление, которое достаточно хорошо отработано. Оборудование для обоих видов технологии доступно на рынке.

Микрофотография AlMgB14 покрытия (более темный тонкий слой) на подложке из стали (светлая структура с темными вкраплениями слева от покрытия). Толщина покрытия примерно 2–3 мкм.

Согласно данным Брюса Кука, расчеты правительственных специалистов показывают, что даже достаточно умеренное увеличение ресурса насосов, которое будет получено с применением этих износостойких покрытий, должно дать существенное снижение энергетических затрат (на 31 миллиард условных единиц в год) и годовую экономию в размере 179 млн. долларов.

Насосы не являются единственной областью применения износостойких боридных покрытий. Группа Брюса Кука работает с рядом фирм, в частности, Greenleaf Corp., над специальными покрытиями для режущего инструмента. Если при эксплуатации скоростного режущего инструмента понизить его трение о материал, это приведет к гигантской экономии энергии, потребной для операций станочной металлобработки.

Испытания покрытий проводит группа Питера Блау (Peter J. Blau) и Джун Кью (Jun Qu). Группа имеет в своем распоряжении одну из наиболее оснащенных в стране лабораторий по исследованию трения и износа, расположенную на территории Национальной Лаборатории Оак Ридж (Oak Ridge National Laboratory – ORNL) Министерства Энергетики США, в штате Теннесси. Предварительные испытания показали уменьшение трения при использовании покрытий типа AlMgB14 по сравнению с непокрытыми поверхностями, по крайней мере на порядок величины. Эти покрытия, согласно результатам тех же предварительных испытаний, показывают значительно лучшие результаты, чем другие износостойкие покрытия, такие, как алмазоподобный углерод и борид титана TiB2.

В отдельном проекте, структура которогго сходна с упомянутыми, группа Брюса Кука работает с исследователями из ORNL, Научно-Технологического Университета Миссури (Missouri University of Science and Technology), Университетом Альберты (University of Alberta) и группой частных компаний над разработкой защитных покрытий для установок для водоструйной резки, работающих в условиях высокого давления, и покрытий для клапанов высокого давления, детали которых работают в условиях воздействия абразивов и других экстремальных факторов. Предварительные исследования, проведенные многопрофильной группой, показали потенциально высокую энергетическую эффективность будущей разработки. Ученые пытаются смоделировать молекулярную структуру покрытий для каждой задачи, что позволяет проектировать их физические и механические свойства в каждом конкретном случае.

Финансирование для обоих проектов было предоставлено Отделом Энергетической Эффективности и Возобновляемой Энергии (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy) Министерства Энергетики США.

Евгений Биргер