Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
легкий сплав, нанокомпозит, внешние поля, наночастицы, лигатура, эксплуатационные характеристики

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, ударно-волновым компактированием, разрабатываемыми авторами проекта. 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 предназначаются 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, изготовлены в виде таблеток диаметром 0,01-0,05 м и толщиной 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).
Экспериментальные образцы легких металломатричных нанокомпозитов, наноструктурных лигатур, получаемые ударно-волновым компактированием изготовлены в виде стержней, имеют 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).
Экспериментальные образцы легких сплавов, получаемых с применением наноструктурных лигатур и внешних полей (будут получены на следующем этапе выполнения ПНИ), 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.)
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.
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.
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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Экспериментальные образцы легких металломатричных нанокомпозитов, наноструктурных лигатур, получаемые горячим прессованием, изготовлены в виде таблеток диаметром 0,01-0,05 м и толщиной 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).
Экспериментальные образцы легких металломатричных нанокомпозитов, наноструктурных лигатур, получаемые ударно-волновым компактированием изготовлены в виде стержней, имеют 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).
Экспериментальные образцы легких сплавов, получаемых с применением наноструктурных лигатур и внешних полей (будут получены на следующем этапе выполнения ПНИ), 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 удовлетворяют 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 удовлетворяют 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 удовлетворяют 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 удовлетворяют 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, должен удовлетворять следующим требованиям:
- 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, должен удовлетворять следующим требованиям:
- 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.
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).

Текущие результаты проекта:
1. Разработаны мультимасштабные, мультифизические модели, описывающие физические явления, происходящие в процессе кристаллизации под действием внешних полей.
2. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов легких металломатричных нанокомпозитов и наноструктурных лигатур.
3. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов легких сплавов.
4. Проведены маркетинговые исследования по наноразмерным модификаторам (упрочнителям), наноструктурным лигатурам.
5. Разработан проект бизнес-плана.
6. Подготовлено и запущено опытное производство наноразмерных модифицирующих и упрочняющих добавок и наноструктурных лигатур.
7. Разработан лабораторный регламент получения легких металломатричных нанокомпозитов и наноструктурных лигатур.
8. Получены 4 состава легких металломатричных нанокомпозитов и наноструктурных лигатур.
9. Проведены экспериментальные исследования структуры и определены физико-механических свойства легких металломатричных нанокомпозитов и наноструктурных лигатур.
10. Проведена обработка и интерпретация результатов экспериментальных исследований по изучению структуры и определению комплекса физико-механических свойств легких металломатричных нанокомпозитов и наноструктурных лигатур.