Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и совершенствование способов получения высокопрочных легких сплавов и металломатричных нанокомпозитов с повышенными эксплуатационными характеристиками

Докладчик: Ворожцов Александр Борисович

Должность: Зав.лаб. ТГУ, профессор, заведующий лабораторией

Цель проекта:
Основная цель работы направлена на формирование научно-технологического задела в виде комплекса наукоемких технологий для алюминиевого и магниевого литья с целью получения высокопрочных легких сплавов и металломатричных нанокомпозитов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Будут разработаны и испытаны экспериментальные образцы нанокомпозитов и сплавов, создано демонстрационное экспериментальное производство наноструктурных модификаторов и лигатур, используемых при реализации новых инновационных технологий, сформулированы проекты технических заданий на выполнение опытно-конструкторских работ. Предлагаемые легкие металломатричные нанокомпозиты будут получены путем добавления в алюминий компонентов-упрочнителей в виде наночастиц карбидов, боридов и оксидов. Полученные композиты будут представлять собой «Мастер-сплав», который может использоваться самостоятельно либо вводиться при литье изделий из алюминиевого (магниевого) сплава. «Мастер-сплав» получается методами горячего прессования, мехактивации, прессового спекания, разрабатываемыми авторами проекта. Ожидаемое улучшение свойств легких сплавов и их нанокомпозитов (предел прочности, пластичность, рабочая температура) составит 25-30%, кроме того, будут улучшены и другие эксплуатационные свойства, в частности работоспособность с сохранением улучшенных физико-механических свойств при повышенных до 300°C температурах, улучшенная теплопроводность алюминиевых сплавов и т.д. Производство легких материалов с таким широким спектром улучшенных свойств обеспечит возможность использования новых конструкций и элементов с повышенным запасом прочности, существенно повышающих энергоэффективность (снижение веса конструкций транспортных средств, снижение материалоемкости при производстве и т.п.), безопасность потребителя, снижение экологической нагрузки на природу вследствие уменьшения выбросов при эксплуатации облегченных транспортных средств. Одной из основных идей проекта является равномерное распределение твердых, относительно нейтральных наночастиц/волокон в матрице алюминиевого (магниевого) сплава с целью значительного улучшения свойств материала. Это новое научно-техническое направление достаточно мало описано в современной литературе и слабо реализовано. В проекте предусматривается оригинальная разработка новых технологий обработки жидких металлов при помощи внешних полей. Эти технологии позволят коренным образом изменить подход к управлению микроструктурой металлических сплавов и композитов Наибольший интерес в рамках данного проекта представляют легкие сплавы магния и алюминия, однако, следует отметить, что предлагаемые методы будут эффективными и для других сплавов (например, титана, меди, стали, кобальта, никеля и т.д.) Использование внешних полей для распределения наноразмерных упрочнителей в расплаве и последующей кристаллизации легкосплавных нанокомпозитов также является одним из ключевых моментов в реализации проекта. Авторы предложения планируют проведение исследований влияния электромагнитных, электрических, мощных ультразвуковых полей. Также будут исследоваться комбинации вышеперечисленных факторов.

Основные планируемые результаты проекта:
Разработанные в ходе выполнения ПНИ новые легкие металломатричные нанокомпозиты, наноструктурные лигатуры и легкие сплавы должны предназначаться для использования при создании новых конструкций и элементов с повышенным запасом прочности, существенно повышающих энергоэффективность (снижение веса конструкций транспортных средств, снижение материалоемкости при производстве и т.п.), безопасность потребителя.
Разработанная карта процессов, структур и свойств должна позволить конечным пользователям прогнозировать механические, физические, тепловые и иные эксплуатационные свойства материалов.
Экспериментальные образцы легких металломатричных нанокомпозитов, наноструктурных лигатур, получаемые горячим прессованием, должны быть изготовлены в виде таблеток, иметь диаметр 0,01-0,05 м и толщину 0,003-0,01 м в количестве 30 шт с различным видом, составом и содержанием модифицирующих (упрочняющих) наноразмерных и субмикронных добавок (алмаз, бориды, оксиды и др. химические соединения), не менее, чем 5 шт. каждого типа.
Экспериментальные образцы легких металломатричных нанокомпозитов, наноструктурных лигатур, получаемые ударно-волновым компактированием должны быть изготовлены в виде стержней (возможно, неправильной формы), иметь диаметр от 0,01 м и длину от 0,1 до 0,4 м в количестве 30 шт. с различным видом, составом и содержанием модифицирующих (упрочняющих) наноразмерных и субмикронных добавок (алмаз, бориды, оксиды и др. химические соединения), не менее, чем 5 шт. каждого типа.
Экспериментальные образцы легких сплавов, получаемых с применением наноструктурных лигатур и внешних полей, должны иметь форму и размеры, отвечающие требованиям стандартизованных методик измерения указанных механических и физических свойств, а также структурных исследований с использованием современных методик (рентгеноструктурный анализ, оптическая и электронная микроскопия, растяжение, сжатие, изгиб, индентирование и др.)
Экспериментальные образцы легких металломатричных нанокомпозитов, получаемые горячим прессованием, должны удовлетворять следующим требованиям:
- металлическая матрица – алюминий,
-плотность (г/см3) 2.5-2.7,
-содержание модифицирующих (упрочняющих) добавок (%),
а) углеродные нанотрубки 0.1-5,
б) наноалмаз 1-20,
в) наноразмерный оксид алюминия 1-20,
г) карбид алюминия 5-50,
-предел прочности при сжатии (МПа) не менее 500,
-твердость (HV) не менее 1500.
Экспериментальные образцы наноструктурных лигатур, получаемые горячим прессованием, должны удовлетворять следующим требованиям:
- металлическая матрица – алюминий,
-плотность (г/см3) 2-2.7,
-содержание модифицирующих (упрочняющих) добавок (%),
а) углеродные нанотрубки 0.1-5,
б) наноразмерный оксид алюминия 1-20,
в) субмикронный борид алюминия 1-20,
г) карбид алюминия 5-90.
Экспериментальные образцы легких металломатричных нанокомпозитов, получаемые ударно-волновым компактированием, должны удовлетворять следующим требованиям:
- металлическая матрица – алюминий,
-плотность (г/см3) 2.6-2.7,
-содержание модифицирующих (упрочняющих) добавок (%),
а) углеродные нанотрубки 0.1-5,
б) наноалмаз 10,
в) наноразмерный оксид алюминия 10,
-предел прочности при сжатии (МПа) не менее 450,
-твердость (HV) не менее 1000.
Экспериментальные образцы наноструктурных лигатур, получаемые ударно-волновым компактированием, должны удовлетворять следующим требованиям:
- металлическая матрица – алюминий,
-плотность (г/см3) 2.4-2.7,
-содержание модифицирующих (упрочняющих) добавок (%),
а) углеродные нанотрубки 0.1-5,
б) наноалмаз 10,
в) наноразмерный оксид алюминия 10,
г) микроразмерный диборид титана 5,
д) микроразмерный карбид титана 5.
Стандартный литой сплав на основе Mg (МЛ5)+ударно-волновая или горячепрессованная лигатура:
- металлическая матрица – магний,
- Плотность (г/см3): меньше 1,85,
- 0.2% Предел текучести (МПа): 120,
- Предел прочности на разрыв (МПа): 280,
- Удельный предел прочности на разрыв / г (км): 15,0
- Пластичность при комнатной температуре (%): 5,
- Максимальная рабочая температура (ºC): 200,
- Коэффициент теплового расширения (10-6 K-1): 20-25,
- Твердость (HB): 75.
Стандартный литой сплав на основе Al (АК7 или модельный Al-4%Cu) )+ ударно-волновая или горячепрессованная лигатура:
- металлическая матрица - алюминий
- Плотность (г/см3): меньше 2,70
- 0.2% Предел текучести (МПа): 120
- Предел прочности на разрыв (МПа): 200
- Удельный предел прочности на разрыв / г (км): 17,0
- Пластичность при комнатной температуре (%): не меньше 6
- Максимальная рабочая температура (ºC): 200
- Коэффициент теплового расширения (10-6 K-1): 10-22
- Твердость (HB): 90.
Необходимо отметить один из наиболее перспективных аспектов реализации проекта – а именно создание новых алюминиевых и магниевых матричных нанокомпозитов под воздействием различных внешних полей. Структура типовых легких литейных сплавов будет упрочняться путем добавления 0,1-5 весовых процентов достаточно инертных наночастиц/волокон, таких как Al2O3, ZrO2, Y2O3, MgO, SiC, AlN, ZrW2O8, углеродные нанотрубки и наноалмазы. Эти материалы с размером частиц 50-500 нм предварительно смачиваются в концентрированных лигатурах, которые затем растворяются в больших тиглях, перед литьем. Введение наночастиц в расплав будет обеспечиваться плавлением матричного алюминия (магния) концентрированной лигатуры, а их диспергирование и равномерное распределение по объему металла будет осуществляться при помощи воздействия внешних полей, в особенности высокоскоростное МГД перемешивание, мощная ультразвуковая кавитация, интенсивное механическое перемешивание и др.
Полученные алюминиевые и магниевые нанокомпозиты будут тщательно изучены, охарактеризованы и стандартизированы. Планируется также объяснить фундаментальные механизмы упрочнения Орована и упрочнения, основанного на разности КТР, а также зернограничного упрочнения. Ключевым моментом является демонстрация одновременного улучшения предела прочности на разрыв и пластичности нанокомпозитных сплавов, а также повышение сопротивления ползучести.
Разработка легких сплавов алюминия и магния велась и совершенствовалась в течение многих десятилетий. Прочность и пластичность этих сплавов, главным образом, достигалась за счет контроля химического состава сплава, размера зерна, твердого раствора, дисперсионного упрочнения, а также модифицирования. Предлагаемый проект позволит расширить спектр существующих методов за счет использования внешних полей в процессе литья и кристаллизации. Металлургия может получить недорогую технологию полевой обработки жидких расплавов, которая позволяет более эффективно контролировать размер зерен, пористость, сегрегацию, процесс заливки форм, а также создавать инновационные нанокомпозиты.
Что касается предела прочности на разрыв и пластичности, то предлагаемая технология позволит достичь улучшения характеристик монолитных легких сплавов и нанокомпозитов на 20% и 30% соответственно. Это позволит обеспечить величину коэффициента прочности в 3 раза выше, чем для мягкой стали. Среди других преимуществ также следует отметить: повышенную твердость, трещиностойкость, усталостную прочность, сопротивление ползучести до 300ºC и лучшее демпфирование вибраций. Будут проведены тщательные исследования механических свойств для многих образцов сплавов.
Перспективным является подход, когда лигатура (“master alloy”) производится ударно-волновым компактированием, т.е. воздействием продуктов взрыва на специально подготовленную смесь порошковых материалов. Процессы получения плотных компактов при таких внешних физических воздействиях достаточно хорошо изучены [Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск: Наука, 1980], но литературные данные по применению взрыва для изготовления легких нанокомпозитов с целью последующего их использования в металлургии, отсутствуют. Тем более, в комбинации с вышеупомянутыми методами воздействия на процессы внешними физическими полями.
Подводя итог, справедливо отметить, что ни одна из упомянутых выше технологий не используется в промышленных масштабах ни одной российской или европейской компанией, занимающейся производством лигатур или легких сплавов. Ключевыми научно-техническими и технологическими задачами, решаемыми созданием инновационной технологии, являются:
• Получение сплавов и материалов на основе алюминия и магния с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками для общего машиностроения.
• Расширение области применения сплавов на основе алюминия и магния, замена стальных деталей и конструкций на изделия из алюминиевых и магниевых сплавов.
• Снижение выхода брака при литье сплавов на основе алюминия и магния позволит снизить затраты электроэнергии на повторный переплав, что будет способствовать снижению стоимости металлопродукции.
• Создание производства наноструктурных лигатур для применения в цветной металлургии.
Замена стальных деталей и конструкций на алюминиевые и магниевые позволит значительно снизить металломассу транспортных средств, что, в свою очередь, приведет к снижению затрат топлива и количества выбросов продуктов горения в окружающую среду

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В результате выполнения проекта будет достигнуто:
- Расширение области применения сплавов на основе алюминия и магния, замена стальных деталей и конструкций на изделия из алюминиевых и магниевых сплавов;
- Снижение выхода брака при литье сплавов на основе алюминия и магния позволит снизить затраты электроэнергии на повторный переплав, что будет способствовать снижению стоимости металлопродукции.
Основными продуктами при реализации данного проекта будут:
- Сплавы и материалы на основе алюминия и магния с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками для общего машиностроения;
- Наноструктурные лигатуры для применения в цветной металлургии;
- Модификаторы цветного литья на основе нанодисперсных оксидов металлов в слабо-агрегатированной форме для обработки расплавов алюминия и магния.
Производство легких материалов на основе алюминия и магния с широким спектром улучшенных свойств обеспечит возможность использования новых элементов и конструкций с повышенным запасом прочности, существенно повышающих энергоэффективность (снижение веса конструкций транспортных средств, снижение материалоемкости при производстве электрических проводов и т.п.), безопасность потребителя. Особенно, в аэрокосмической и автомобильной отраслях промышленности, замена стали на легкие композиты приводит к облегчению конструкции и улучшению топливной эффективности.
Размер российского рынка высокопрочных легких сплавов оценивается в 340 млрд.руб./год. При этом основными сегментами являются:
1) Автомобильные силовые агрегаты и шасси. На данный сегмент рынка приходится около 55 тыс. тонн легких сплавов в год (20,2 млрд.руб.)
2) Детали летательных аппаратов и авиационных двигателей. На данный сегмент рынка приходится около 67 тыс. тонн легких сплавов в год (24,6 млрд.руб.)
3) Детали космических спутников и ракет. На данный сегмент рынка приходится около 45 тыс. тонн легких сплавов в год (16,5 млрд.руб.)
4) Высокопрочная и высокопроводящая кабельная продукция из алюминия. На данный сегмент рынка приходится 87 тыс. тонн алюминия в год (32 млрд. руб).
Суммарный объем рынка по первоочередным сегментам составляет 93,3 млрд. руб. в год. Динамика развития производства легкового и грузового автотранспорта, темпы строительства и производства авиа- и космической техники позволяет сделать прогноз, что к 2016 году в России будет наблюдаться дефицит высокопрочных сплавов на основе алюминия.
На рынке легких сплавов на основе алюминия и магния, произведенных с использованием разрабатываемых технологий:
1) В России производится большое количество первичного алюминия - сырья, но отсутствуют технологии производства качественных и прочных сплавов на их основе. Легкие сплавы на основе алюминия и магния, обладающие повышенными прочностными характеристиками, востребованы авиастроительной, ракетно¬космической и автомобильной промышленностью. Спрос опережает предложения.
2) До 2020 года в России прогнозируется стабильный рост потребности в легких материалах. По данным Минпромторга РФ увеличение спроса на алюминий в период до 2020г. будет происходить в соответствии с развитием высокотехнологичных отраслей экономики: авиа- и ракетостроения, судостроения, автомобильной промышленности, нефтегазодобывающего отрасли.
3) Разработка новых технологий, обеспечивающих высокие прочностные характеристики легких сплавов, будет способствовать увеличению областей применения. Это вызвано тем, что традиционные материалы на основе стали уже исчерпали свои возможности и промышленность находится в поиске материалов, способных снизить металломассу конструкций и агрегатов.
На рынке лигатур на основе металломатричных композитов с добавлением детонационных наноалмазов, многослойных углеродных нанотрубок:
1) Конкурентные решения находятся в стадии разработки и промышленно не реализованы. Спрос опережает предложение.
2) Целевой сегмент рынка – высокотехнологичные производства, которые развиваются большими темпами (15-20 % в год) и остро нуждаются в легких и прочных материалах (авиастроение, ракетостроение, производство космической техники, судостроение, автомобилестроение).
На рынке модификаторов на основе оксидов d-металлов в слабо-агрегатированной форме:
1) Затраты на обработку тонны алюминия модификаторами, представленными на рынке, составляют 6 тыс. руб., а затраты на обработку разрабатываемыми модификаторами 3 тыс.руб.
2) Большой объём рынка. Технология модифицирования применима как к высокотехнологичным сегментам рынка (авиастроение, ракетостроение, производство космической техники, судостроение, автомобилестроение), так и к низкотехнологичным (производство алюминиевых корпусов для оборудования, производство заклепок на основе алюминия, производство алюминиевых труб).
3) Возможность импортозамещения ранее используемой продукции аналогичного назначения. Помимо этого будут также проведены исследования вторичных рынков: высокопрочные корпуса для бытовой электроники, защитные оболочки для литий-ионных батарей, малоинерционное робототехническое оборудование, оборудование, применяемое в условиях низких температур (до -200°C), снаряжение для спорта и отдыха, биомедицинская ортопедия.

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения работ по проекту получены многочисленные данные современных литературных источников, свидетельствующие о том, что традиционно применяемые металлические материалы и сплавы на основе алюминия и магния в значительной мере достигли своего предела эксплуатационных характеристик. Вместе с тем, развитие современной техники требует создания материалов надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. В связи с этим, ставится задача поиска путей разработки новых материалов, отвечающих требованиям современной техники. Решение этой задачи можно осуществить путем использования композиционных материалов. На данном этапе выполнения проекта проанализированы и описаны виды и методы получения современных металломатричных композиционных материалов. Обобщены существующие и предложены оригинальные научно-технические решения в области разработки и создания новых высокопрочных легких сплавов и металломатричных нанокомпозитов. В частности, показано, что современные исследования в области разработки легких сплавов задают тенденции к созданию новых материалов с гетерофазной структурой путем дисперсного упрочнения матрицы. При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольжения в матрице, при этом степень упрочнения зависит от вида частиц, их объемной концентрации, а также равномерности распределения.
Отработаны технологии синтеза и всесторонне исследованы неметаллические наночастицы (в том числе наноразмерные алмазы и оксиды металлов). Получены данные о дисперсности, удельной поверхности, морфологии, фазовом составе и параметрах структуры нанопорошков.
Описаны теоретические подходы к улучшению прочностных характеристик дисперсно-упрочненных сплавов, дана оценка влияния особенностей пористой среды на физико-механические свойства легких металломатричных нанокомпозитов.
Указаны этапы производства наноразмерных добавок и наноструктурных лигатур и обоснованы технические решения по организации и аппаратурному оформлению производства
Согласно данным современных научных информационных источников, исследования и разработка новых видов легких металломатричных нанокомпозитов является актуальной задачей как с точки зрения получения новых фундаментальных знаний, так и с позиции их практического применения. В частности, новые технологии ультразвуковой и электромагнитной обработки расплавов на основе алюминия и магния являются перспективными для применения их в промышленности. Проведенные за последние годы исследования позволили сделать оценку эффективности таких методик для дегазации, измельчения зерна и т.д. Однако для увеличения значимости внешних полей в металлургии легких сплавов требуются дальнейшие исследования в данном направлении.