Механическое сердце: названы удивительные разработки из титана

Владельцы смартфона известного бренда негодуют. Весь прошлый год они ждали новую модель, а получили сплошное разочарование. Дорогой гаджет не прошел краш-тест и потерпел крах в первые же дни продаж.

А ведь покупателям обещали, что корпус будет прочнее, потому что его сделают титановым. Но почему гаджет оказался таким хрупким? Все просто – производитель американских смартфонов отказался от российского сплава и перешел на аналог, но новый металл оказался хуже качеством. Это сказывается уже не только на прочности гаджетов, но и на безопасности авиаперелетов. Об этом рассказывает программа "Наука и техника" с Михалом Борзенковым на РЕН ТВ.

Как титан поможет самолетам летать в космос

С этим не так давно столкнулись западные конструкторы. Оказалось, целые секции фюзеляжа и даже крылья топовых пассажирских авиалайнеров созданы из некачественного материала, подверженного коррозии. Тогда как настоящий титановый сплав не ржавеет, ведь в его составе нет железа. Положиться на такой металл точно нельзя, в отличие от титана из Сибири. Там ученые придумали способ как в разы повысить прочность и без того крепких деталей.

"Лопатка в газотурбинном двигателе подвергается износу, эрозионному и ударному нагрузкам. И у нас в лаборатории мы развили с помощью технологии прямого лазерного выращивания, мы создаем металлокерамические покрытия", – объяснил заведующий лабораторией лазерных технологий ИТПМ СО РАН Александр Маликов.

Для этого специалисты используют лазер и специальные порошки. Мощный луч, что называется, наплавляет смесь на титановую деталь.

"Здесь у нас происходит наплавка различных порошков, таких как титан, никель и даже модифицированных порошков. Здесь у нас имеется система подачи этого порошка, которая зависит от типа эксперимента. Можем его менять с трубки на сопло. И, соответственно, имеется сам образец, который в данный момент это подложка, на которую будет производиться наплавка", – показал инженер-исследователь Илья Герцель. 

Лазерная наплавка металлокерамической оболочки уменьшает износ титановых механизмов в газотурбинном двигателе в два раза. Ученые относят такой способ обработки к так называемым аддитивным технологиям. Это процесс, в основе которого лежит 3D-модель детали, которая печатается, как пирог, слой за слоем. Благодаря такому подходу элементы из титана получают особую прочность. Еще один плюс технологии – возможность создавать изделия самой сложной конфигурации.

"Аддитивные технологии позволяют получить формы различного типа, не приемлемые для классических технологий литья. И за счет оптимизации топологии, дизайна мы можем как облегчить саму лопатку, создать новый конструктивный дизайн, так и получить новые материалы, обладающие повышенными физико-механическими свойствами", – уточнил Александр Маликов.

Однако в спину российским ученым уже дышат исследователи из Японии. В этом году сотрудники Национального института материаловедения создали инновационный сплав для самолетов из титана и никеля. Благодаря уникальной разработке материал получился одновременно прочным, как сталь, и гибким, как резина. 

"Обычно проектировщики и инженеры вынуждены выбирать либо гибкость, либо прочность. Нам удалось "поженить" эти два непримиримых свойства за счет изменений свойств сплава на молекулярном уровне", – поделился директор платформы передовых нанотехнологий Национального института материаловедения Дайсукэ Фудзита.

Исследователи разработали трехэтапную процедуру, которая позволяет сплаву проявлять свои уникальные свойства при различных температурах. Жара делает его гибким, а холод – прочным. Ученые полагают, что с помощью нового материала удастся создать самолет, пригодный для путешествий даже в космосе.

Экономические санкции сократили поставки на Запад российского титана. Это тут же сказалось на качестве электроники и техники, в которых используют сверхпрочный металл. Ведь у нас сосредоточены 12,5% мировых запасов этого редкоземельного металла, больше только у Китая. Это открывает невероятные возможности для нашей страны.

"Титан по удельной прочности – это самый лучший материал среди металлических сплавов, который на сегодняшний день применяется в машиностроении. Из-за этого титан очень широко применяется в авиастроительном, космическом и в морском судостроении. В частности, подводные лодки тоже изготавливаются из титана. Это один из самых лучших материалов", – пояснил Александр Маликов.

А еще титан сделает вас редкими гостями в кабинете стоматолога. 

Титан в стоматологии

Не самый приятные моменты в жизни каждого: звук бормашины, специфический запах, заморозка и все это за бешеные деньги.

Но про походы к дантисту скоро можно будет забыть, как про страшный сон, и поможет в этом тоже титан. Все потому, что это единственный в природе металл, который без проблем приживается в теле человека. Уникальное свойство сплава высоко оценили российские стоматологи.

"Плюс то, что поддается обработке, благодаря которой можно получить изделие необходимой формы, функции любых размеров, исходя из потребностей пациентов", – сказал руководитель центра дентальной имплантологии, заведующий отделением челюстно-лицевой хирургии Пушкинской клинической больницы им. Розанова Алексей Бунев.

Владимир Зеркалев полжизни мучился с зубами. К стоматологу ходить не любил – больно и дорого. В итоге у него вовремя не обнаружили кисту в челюсти, началось осложнение, пришлось даже удалить часть кости. На много лет житель Майкопа разучился улыбаться.

"Доходило до того, что мне приходилось есть чуть ли не через трубочку, потому что нормальную еду я не мог жевать. Плюс эстетически это очень большой казус, потому что было действительно и неудобно, и каждый раз-то я стеснялся и боялся улыбнуться", – поделился житель Майкопа Владимир Зеркалев.

Улыбку Владимиру смогли вернуть подмосковные имплантологи. Они установили ему в челюсть титановую пластину. Теперь, уверены специалисты, пациент обратится к ним не скоро. 

"Титан, контактная сварка – это единственный металл, который безопасно и быстро сваривается, без лишней температуры и нагрева. Если это во рту происходит, не происходит нагрева самого импланта. То есть безопасно для дальнейших операционных действий и для самого импланта", – уточнил старший техник центра дентальной имплантологии Станислав Ефремов.

Титан вернул Владимиру и вкус любимых продуктов. Теперь он без опаски может и яблоки грызть, и ириски жевать.

"Сейчас вся моя семья улыбается и все довольны и счастливы. Я себя ощущаю полноценным человеком. Жевательная функция восстановилась. Я могу есть все что угодно", – утверждает Владимир Зеркалев.

Титановый протез

С титаном на "ты" и другие врачи. В клинике Самарского медуниверситета впервые в России пациенту установили титановый раздвижной эндопротез отечественного производства. Уникальное устройство поставили пожилому мужчине с раздробленным тазобедренным суставом, но в планах использовать такие протезы для детей. Они будут расти в теле пациента вместе с его костями.

"Раздвижной эндопротез необходим для установки детям, потому что детский организм растет. То есть он будет ходить вообще, никто не будет даже видеть, что там у него что-то есть. И каждый день примерно на 1 мм, 1,25 мм, по классике Елизара у него будет происходить раздвижка, и кость будет расти и замещаться в регенерат так называемый", – рассказал директор научно-исследовательского института бионики и персонифицированной медицины Андрей Николаенко. 

Титановое сердце

Впрочем, раздвижное устройство – это еще цветочки. Американские врачи успешно пересадили пациенту титановое сердце.

"Зачем нам искусственное сердце? Сердечная недостаточность – главная причина смерти. В США каждый год от сердечной недостаточности умирает около 150–160 человек. Почему мы не можем пересадить все сердца? Потому что донорские сердца – это редкий и ценный ресурс", – выступил врач, разработчик механического сердца Уильям Э. Кон.

Сердце из металла оказалось легким и способным переносить нагрузки при занятии спортом. Такими темпами героем комиксом и фильмов скоро станет не Железный, а Титановый человек. Причем родом он будет из Перми.

Именно в Перми ученые из Политеха разработали уникальную технологию получения губчатого титана – сырья для изготовления будущих изделий, в том числе и титановых органов человека.

"Промышленный губчатый титан получают по хлорной технологии, которая состоит из ряда технологических переделов. Хлорная технология губчатого титана сложна, энергозатратна и малопроизводительна. Сначала полезные ископаемые, руды, добываются. Вот это полезные ископаемые. Это имеется в виду, что потом из руды получают губчатый титан. А губчатый титан, в свою очередь, является сырьем для металлического титана", – заявил доцент кафедры химической технологии и экологии Березняковского филиала ПНИПУ Юрий Кирин.

Ноу-хау пермских исследователей заключается в разработке специального регулятора, который позволяет управлять химической реакцией превращения титановой руды в губчатый титан с помощью магния. Причем с точностью до градуса.

"Предложенные разработки позволят снизить себестоимость губчатого титана и укрепить позиции России в мировом рейтинге по переработке полезных ископаемых", – объяснил Юрий Кирин.

Это значит, что изделия из российского титана будут нарасхват во всем мире. Главное, что качественные технологии для обработки этого востребованного металла у России уже есть. А зависимости от иностранного сырья уже нет.

О невероятных событиях истории и современности, об удивительных изобретениях и явлениях вы можете узнать в программе "Загадки человечества" с Олегом Шишкиным на РЕН ТВ.