Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка прототипов технологических решений синтеза наноструктурных лигатур и их использование для получения легких сплавов с повышенными эксплуатационными свойствами

Докладчик: Данилова Елена Александровна

Должность: старший научный сотрудник, канд.полит.наук

Цель проекта:
Проведение прикладных научных исследований для разработки прототипа технологических решений с целью получения высокопрочных легких сплавов на основе алюминия и магния с повышенными эксплуатационными характеристиками. Разработка технических требований и предложений по разработке, производству и применению наноструктурных лигатур, используемых при реализации новых инновационных технологий с целью последующего выполнения опытно-технологических работ и промышленного внедрения результатов для получения новых видов научно-технической продукции.

Основные планируемые результаты проекта:
Приоритетной целью работ в рамках ПНИЭР является получение значимых научных результатов в области разработки современных наукоемких технологий производства наноструктурных лигатур, представляющих собой высокодисперсную многокомпонентную смесь алюминия и наночастиц детонационных алмазов, позволяющих переходить к созданию новых видов легких высокопрочных сплавов.
Одной из основных идей проекта является применение уникальных методов и эффективного применения находящегося в эксплуатации технологического оборудования получения исходных нанопорошков алюминия и детонационных алмазов, а также способов синтеза композитов на их основе. Предлагаемые разработки позволят реализовать на практике ряд инновационных подходов современного материаловедения и физики металлов, базирующихся на использовании в алюминиевом и магниевом литье наноструктурных лигатур.
1) Научные результаты

• данные о закономерностях формирования фазового и гранулометрического состава порошков, получаемых методами ЭВП и детонационного синтеза;
• результаты исследований кинетики образования новых фаз при синтезе материалов системы Al-C и построение математической модели для расчета термодинамических параметров фазообразования Al4C3;
• комплекс данных о фазовом составе, параметрах кристаллической структуры, микроструктуре, механических свойствах и деформационном поведении композитов Al-Al4C3 и сплавов алюминия (магния), полученных с их применением;
• формирование четкого представления и получение количественных данных о влиянии внешних полей на процессы обработки металлических расплавов, кристаллизации и структуры, образующиеся в монолитных легких сплавах;
• создание ”карты процессов, структур и свойств”, которая позволит конечным пользователям прогнозировать механические, физические, тепловые и иные эксплуатационные свойства материалов;
• разработка и усовершенствование мультимасштабных, мультифизических моделей, описывающих физические явления, происходящие в процессе кристаллизации под действием внешних полей;

2) Технологические результаты

• синтез нанопорошков алюминия (ЭВП-технология) и наноалмаза (детонационный синтез);
• получение наноструктурных лигатур на основе алюминия и детонационных алмазов методами горячего прессования и ударно-волнового компактирования (важным результатом будет повышение технологичности процесса легирования легких сплавов за счет возможности получения лигатуры в виде прутков длинной до 0.5 метра);
• синтез лигатур с контролируемым содержанием наночастиц алмаза и карбида алюминия, что будет обеспечено за счет возможности управления фазовым составом при получении исходной алмазсодержащей шихты;
• производство легкосплавных материалов на основе алюминия и магния с 20-50% улучшением прочности при растяжении и рабочими температурами до 350°C (см. целевые индикаторы по свойствам ниже);
• разработка новых технологий полевой обработки жидких металлов, основанных на электромагнитных, мощных ультразвуковых полях и интенсивным перемешиванием, которые могут быть использованы для производства легкосплавных отливок;
• получение алюминиевых и магниевых сплавов с удельной прочностью в 2 раза превышающей прочность мягкой стали;

3) Производственно-коммерческие результаты

• демонстрация масштабируемых технологий полевой обработки легких сплавов, увеличивающих стоимость компонентов не более чем на 10%, по отношению к компонентам, изготовленным традиционным способом;
• объединение полученных знаний в комплексе программных решений для оптимизации промышленных производственных процессов, использование которых позволит сократить на 20% время производственного цикла и процент брака в литейных цехах;
• подача 2 заявок на получение патентов в ходе реализации проекта для защиты методов улучшения технологических процессов и составов легких сплавов, обеспечивающих наибольшую рентабельность;
• получение дополнительной выгоды от открытия новых рынков легких сплавов и нанокомпозитов.

4) Цели в сфере охраны окружающей среды
• 30-50% сокращение веса компонентов транспортных средств при использовании новых легких сплавов (в сравнении со сталью) и оценка сокращения объема выбросов CO2 в атмосферу на протяжении жизненного цикла компонента/транспортного средства;
разработка рекомендаций по технике безопасности, охране труда, здоровья и окружающей среды при использовании внешних полей, обращению с упрочняющими наночастицами


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Настоящий проект реализуется в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Транспортные и космические системы».
Проводимые в рамках проекта прикладные научные исследования и разработка прототипов технологий получения металломатричных нанокомпозитов, создание легких и прочных сплавов на основе алюминия и магния ориентированы прежде всего для использования в ракетно-космической технике, автомобильной промышленности, железнодорожном транспорте, судостроении, а также в других секторах промышленности, ориентированных на приложения в транспортных системах.
Тем не менее, результаты проекта могут быть востребованы таким приоритетным направлением, как «Индустрия наносистем». Одним из основных результатов проекта является создание прототипов высоких технологий литейного производства конструкционных материалов с использованием легирующих и модифицирующих коммерческих продуктов на основе нанопорошков алюминия и детонационных наноалмазов. В результате выполнения настоящего проекта материалы, созданные с применением наноразмерных частиц, будут применены в технологическом цикле изготовления высокопрочных пластичных материалов на основе алюминиевых и магниевых сплавов. Результаты выполнения проекта будут востребованы для расширения областей применения нанодисперсных материалов.
Настоящий Проект согласуется с Программой стимулирования потребления алюминиевой продукции в экономическом пространстве России, разработанной и утвержденной 21.01.2011 года Российским союзом поставщиков металлопродукции (РСПМ) и ведущими участниками рынка алюминиевой продукции (РУСАЛ, Алюминиевые продукты, СМК, Татпроф, Агрисовгаз, Алунекст, Реалит, Иплана, МАК и др.). Данная программа была поддержана письмом № 05-762 от 21.02.2011г. от Департамента базовых отраслей промышленности Минпромторга России.
В результате выполнения проекта будет достигнуто:
- Расширение области применения сплавов на основе алюминия и магния, замена стальных деталей и конструкций в транспортных системах 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:
- Нанопорошки алюминия и детонационных алмазов;
- Наноструктурные лигатуры для применения в цветной металлургии;
- Сплавы и материалы на основе алюминия и магния с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками для космических и транспортных систем;
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 сплавы 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.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР;

2. Выбраны базовые композиции лигатур с контролируемым содержанием карбидной и алмазной фазы;

3. Обосновано оптимальное содержание наночастиц в легких сплавах для достижения заданных физико-механических свойств;

4. Выбраны способы получения лигатур и легких сплавов;

5 Проведена сравнительная оценка влияния электромагнитных, ультразвуковых полей и механического перемешивания на литейные процессы.