Команда ученых Тольяттинского государственного университета занимается разработкой современных сплавов на основе магния, чрезвычайно востребованных сегодня в медицине, авиации, автомобилестроении. В вузе рассказали об особенностях, перспективах и преимуществах применения таких материалов.
Магниевое направление развивается в ТГУ давно, и в сфере исследований этого материала университет является одним из ведущих в России. Серьезный толчок был дан в 2010 году, когда разработки тольяттинцев поддержало правительство РФ: на конкурсной основе университет получил мегагрант на создание лаборатории под руководством ученого с мировым именем D.Eng. (доктора технических наук), профессора Алексея Виноградова. Для выполнения этой задачи он вернулся из Японии в Россию. В дальнейшем правительство РФ продлевало финансирование по мегагранту.
Магний — достаточно универсальный металл, и соединения на его основе могут применяться в различных сферах. Научный поиск в ТГУ ведется разнонаправленно: это и технологии создания новых сплавов, их сварки, и образование вспененных композитов, и генерация защитных (износостойких) слоев на поверхности изделий. Всем этим в ТГУ занимаются четыре группы ученых под руководством профессоров Дмитрия Мерсона, Михаила Криштала, Александра Ковтунова и Валерия Ельцова.
Если изначально речь шла в основном о техническом применении магниевых сплавов в качестве конструкционных материалов, то вскоре исследователи ТГУ пришли к пониманию, что магниевые сплавы будут чрезвычайно востребованы и в медицине.
Чтобы изделие из магниевого сплава могло быть применено в медицинских целях, оно должно отвечать главным требованиям — растворяться (резорбироваться) с заданной скоростью и без вреда для организма. С тем, чтобы раствориться, у магния проблем нет — он имеет низкую устойчивость к коррозии. Это делает его применимым для изготовления биорезорбируемых имплантов и стентов, например в травматологии, ортопедии, стоматологии и даже кардиологии. Сейчас стенты и импланты производятся из титана или нержавеющей стали, а это значит, что их нужно будет извлекать из организма в рамках повторной операции. С магнием этого делать не придется. Но необходимо управлять скоростью растворения в организме, чтобы не дать медицинскому изделию раствориться до заживления тканей.
С помощью технологии плазменно-электролитического (микродугового) оксидирования (ПЭО) ученые ТГУ научились создавать на поверхности магниевых сплавов твердые износо- и коррозионно-стойкие керамические слои. Это защищает сплав от механического, коррозионного либо совместного воздействия. Именно ПЭО отводится роль «регулировщика», который заставляет имплант из магниевого сплава раствориться в организме человека с заданной скоростью.
Материаловеды вуза создали ультрамелкозернистые магниевые сплавы, которые обладают требуемым набором свойств для изготовления медицинских имплантатов, в том числе заданной скоростью резорбции (растворения), разработали технологии получения полуфабрикатов, необходимых для производства конечных продуктов. В основу ключевой технологии положен патент «Способ гибридной обработки магниевых сплавов», принадлежащий ТГУ.
Медизделиями из биорезорбируемого магния уже заинтересовался большой бизнес — «Медицинская торговая компания» (Санкт-Петербург) и ТГУ создают совместное производство. В проекте примет участие Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (Уфа), входящий в консорциум «Новые технологии для магниевых сплавов», ООО «Оренпресс» (Оренбург) и НПП «Солар» (Самара).
В сентябре 2023 года на территории ТГУ должен начаться серийный выпуск заготовок и самих биорезорбируемых имплантатов. Контроль качества прутков и готовых изделий возьмет на себя ТГУ — для этого в университете есть необходимое оборудование и специалисты. «Медицинская торговая компания» займется регистрацией готового продукта в качестве медицинского изделия в Федеральной службе по надзору в сфере здравоохранения РФ. Раньше такие изделия в России не производились — закупались за рубежом. В год же осуществлялось порядка пяти тысяч операций с их использованием. Введение санкций стало стимулом для организации производства в России.
«Магниевая тема» привлекает новые поколения ученых — на средства гранта, полученного в рамках госзадания под патронажем НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего», для молодежи в ТГУ открыли специальную лабораторию. На ее создание выделили 45 млн рублей. В лаборатории молодые учёные работают над проблемой повышения коррозионно-усталостных свойств имплантатов. Возглавляет лабораторию молодой учёный кандидат физико-математических наук Михаил Линдеров.
По инициативе ТГУ в декабре 2020 года был создан консорциум «Новые технологии для магниевых сплавов». В него также вошли Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (Томск), Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Самарский государственный медицинский университет (СамГМУ), Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук и в качестве индустриального партнера — ООО «Соликамский опытно-металлургический завод».
В партнерстве с Соликамским опытно-металлургическим заводом Тольяттинский государственный университет разработал жаропрочный магниевый литейный сплав. Он обладает повышенной температурой воспламенения (на 200°C выше, чем у лучших образцов подобных сплавов) и предназначен для использования в авиационной промышленности.
Этот сплав необходим для отливки поршней двигателей беспилотных летательных аппаратов. За счет придания новых свойств мощность и надежность двигателя будет в разы выше, и он сможет успешно конкурировать с зарубежными аналогами, в том числе применяться в силовых установках мощностью до 300 л.с. на воздушных судах малой авиации.
ДВС в этом сегменте пока нет альтернативы. Газотурбинные двигатели подобной мощности неэкономичны по расходу топлива, а для массивного электропривода необходимы дорогие аккумуляторы, пояснил старший научный сотрудник института машиностроения ТГУ Павел Ивашин.
Благодаря использованию новых сплавов конкурировать с импортными производителями можно будет не только в выпуске авиационных двигателей, серийное производство которых сегодня в России попросту отсутствует, но и в нише малой садовой мототехники, лодочных моторов и т.п.
С 2019 года в вузе занялись разработкой еще одного перспективного направления — пеномагния. Это высокопрочный пористый материал на основе магниевого сплава, главным преимуществом которого служит способность гасить механические колебания и поглощать энергию удара, что и обусловливает его применение в автомобилестроении и аэрокосмической отрасли — там, где важны небольшой вес и значительная прочность конструкции. Причем в ТГУ научились создавать материал с управляемым размером пор и даже порами разного размера внутри одного изделия.
Кроме того, в ТГУ есть компетенции в области сварки изделий из магния, что может быть востребовано для разработки технологии 3D-печати.
«ТГУ обладает различными компетенциями в работе с изделиями из магниевых сплавов — от формирования требований к химсоставу и технологий получения требуемой структуры до методов управления скоростью коррозии, а также в смежных технологиях. Поэтому мы целенаправленно формируем центр превосходства в сфере магниевых технологий как «Магниевую долину», то есть целую экосистему генерации знаний и получения практических эффектов. Сквозная идея, объединяющая усилия ученых и специалистов ТГУ и наших партнеров в рамках «Магниевой долины», — повышение уровня технологической готовности продуктовых проектов до создания новых производств инновационной продукции, в том числе для обеспечения технологического суверенитета и импортоопережения. Магниевое направление зафиксировано в программе развития ТГУ в рамках федеральной программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» и программы развития НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего», то есть поддержано Министерством науки и высшего образования России и лично губернатором Самарской области Дмитрием Игоревичем Азаровым», — отметил Михаил Криштал.
Автор: Алексей Окунев