Младший научный сотрудник лаборатории пучков частиц Института электрофизики УрО РАН Юлия Меньшакова стала лауреатом премии губернатора Свердловской области для молодых ученых 2025 года за разработку и исследование метода синтеза покрытий для экстремальных условий эксплуатации реактивным испарением металла в парах кремнийорганических соединений в дуговом разряде низкого давления. Формулировка звучит сложно даже для научной новости, но за ней стоит понятная инженерная задача: как защитить материалы, которым  приходится работать при высоких температурах, трении, воздействии химически агрессивной среды и пылевой эрозии. Такие условия возникают в авиационных двигателях, турбинах электростанций, оборудовании для металлургии и химической промышленности. В этих случаях поверхность детали оказывается одним из самых уязвимых мест: она окисляется, истирается, покрывается окалиной, теряет форму, а затем выходит из строя и сама деталь.

— Мы создаем функциональные покрытия, которые могли бы применяться в деталях и узлах, которые нужно защитить от агрессивных воздействий. Например, такие покрытия будут полезны для лопаток газотурбинных двигателей, — объясняет Юлия Меньшакова.

На первый взгляд, проще сразу изготовить всю деталь из достаточно прочного и жаростойкого материала. Однако такие материалы часто дороги, тяжелы и трудны в обработке, а нужные свойства редко удается совместить в одном массивном изделии. В авиации и космонавтике, где критичен вес, рациональнее использовать легкий конструкционный сплав, а необходимые свойства придать его поверхности.

— Нужно создать покрытие, которое было бы одновременно жаропрочным, износостойким, твердым, стойким к окислению, чтобы оно отвечало требованиям к материалам, работающим в агрессивных условиях. Как правило, детали из тугоплавких и прочных сплавов получаются тяжелыми, и обрабатывать их сложно. В авиации, космической промышленности, в газовых турбинах применяются легкие сплавы, и на них уже можно наносить покрытие. К тому же это экономически целесообразнее: гораздо проще нанести тонкий защитный слой, чем изготавливать из дорогого материала всю деталь, — говорит Юлия.

В работе Меньшаковой одним из основных объектов стали нанокомпозитные TiSiCN-покрытия. Полученные образцы имели плотную однородную структуру, хорошую адгезию к металлической основе и твердость до 43 ГПа, что характеризуется как сверхтвердое покрытие. В таких материалах важен не только химический состав, но и структура: нанокристаллиты в прочной аморфной матрице позволяют получать сочетание свойств, которого трудно добиться в обычном объемном материале.

— Плазменная активация реактивных газов, паров металла и кремнийорганического прекурсора инициирует их диссоциацию и ионизацию, в результате чего формируются активные частицы: ионы, атомы и радикалы. Потом эти частицы оседают на поверхности образца-подложки и образуют нужную нам структуру. С объемным материалом так работать сложнее. А в покрытии можно создавать многокомпонентную композитную наноструктуру и управлять элементным составом так, чтобы сочетались одновременно разные свойства, например, твердость, износостойкость и жаропрочность.

Область, в которой работает Юлия Меньшакова, находится на стыке нескольких дисциплин — физики, химии, материаловедения, инженерных наук.

— Физика дает фундаментальную основу, понимание того, как частицы взаимодействуют в плазме, как образуется покрытие. Химия нужна, чтобы разобраться, как разлагаются кремнийорганические соединения и какие соединения формируются в покрытии. Материаловедение дает представления о том, какой материал нам нужен, с какими свойствами, как их подобрать, чтобы получить нужную твердость или структуру. А инженерные задачи начинаются там, где нужно работать с установкой, с конструкцией газоразрядной системы, с разными деталями и оборудованием, определять режимы нанесения.

В науку Юлия пришла через интерес к естественным дисциплинам. В школе ей легко давались математика, физика, химия, биология. Было множество увлечений: ходила в художественную школу, любила спорт, но выбор физтеха оказался для нее естественным. Важнейшую роль сыграли школьные учителя — физик Павел Александрович и химик Надежда Константиновна, которые могли по-настоящему увлечь предметом не только по учебнику, но и через опыты. В лабораторию пучков частиц ИЭФ УрО РАН Юлия пришла на практику после второго курса, затем начала работать над дипломом и осталась. Сейчас своей научной средой она называет коллектив Института электрофизики, где, по ее словам, много людей, вызывающих профессиональное восхищение глубиной понимания темы и умением представлять результаты.

Экспериментальная работа редко сводится к одному удачному опыту. За результатом стоят подбор параметров, изучение литературы, неудачные образцы, повторения, измерения и необходимость каждый раз разбираться в новой прикладной области.

— Наверное, самое трудное — кропотливость, рутинность и погружение в литературу. Нужно одновременно опираться на ранние исследования и каждый раз чему-то новому учиться. Если покрытие предполагается использовать в авиации или космической технике, нужно понимать, каким эксплуатационным требованиям оно должно удовлетворять. Если это биосовместимое покрытие, приходится изучать литературу по биомедицине, выяснять, какие процессы происходят в тканях живых организмов. Одновременно нужно решать инженерные задачи, составлять дальнейшие планы, разбираться в ошибках и неудачных экспериментах. Работать в режиме многозадачности бывает трудно. И, конечно, нужно последовательно добиваться нужных свойств покрытия, — говорит Юлия.

Увлеченность работой появляется тогда, когда после долгого подбора условий образец действительно получается. Одним из возможных применений своей технологии Юлия считает плазмохимическое осаждение на поверхность лопатки газотурбинных двигателей. Они работают в потоке горячих газов, испытывают большие нагрузки и подвергаются эрозии от частиц пыли. Среди других направлений — машиностроение, авиационная и космическая промышленность, хирургические инструменты и высокотемпературные датчики.

При этом сама технология пока остается лабораторной. Сейчас установка рассчитана на небольшие образцы, до нескольких квадратных сантиметров. Следующий вызов связан уже не только с материаловедением, но и с инженерией: нужно перейти к более крупным деталям, масштабировать источник, провести испытания и найти промышленного партнера. Тогда появление рабочей детали с новым покрытием станет реальностью.

Вадим МЕЛЬНИКОВ
На фото: слева внизу — экспериментальная установка с системой электропитания, подачи плазмообразующих газов, охлаждения и вакуумной откачки; справа внизу — процесс испарения титана в дуговом разряде низкого давления;  процесс азотирования титанового тигля, разогретого до 2000° С.
Фото предоставлены 
ИЭФ УрО РАН.
Юлия Меньшакова на конференции EFRE-2022 в Томске (фото предоставлено оргкомитетом конференции).