Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
лигатура, алюминий, магний, детонационные наноалмазы, карбид алюминия, легкий сплав, нанокомпозит, ультразвуковая обработка, наночастицы, эксплуатационные характеристики

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

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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 (на 25-30%) физико-механическими и эксплуатационными характеристиками (предел текучести, предел прочности, модуль упругости, пластичность, твердость и др.) для космических и транспортных систем;
В производстве современных алюминиевых легких сплавов используются добавки кремния, титана, магния, некоторых других материалов в количестве от 5% до 13%. Разрабатываемая технология позволяет получить легирующий материал, обеспечивающий значительно более высокие параметры сплавов при добавлении его в плавку в количестве от 0,1% до 1,5%. При этом, несмотря на сравнительно высокую стоимость лигатуры, стоимость сплава не только не превышает существующую сегодня на российском и международном рынках, но и может быть несколько ниже

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:
Обоснованы направления исследований, выбраны оптимальные варианты на основе анализа состояния исследуемой проблемы, в том числе результатов патентных исследований:
(1) Выбраны базовые композиции лигатур с контролируемым содержанием карбидной и алмазной фазы;
(2) Обосновано оптимальноесодержание наночастиц в легких сплавах для достижения заданных физико-механических свойств;
(3) Выбран способ получения лигатур и легких сплавов;
(4) Разработаны базовые положения физико-математических моделей по расчету физических процессов в расплавах металлов при обработке ультразвуком
(5) Проведена сравнительная оценка влияния электромагнитных, ультразвуковых полей и механического перемешивания на литейные процессы
(6) Проведено математическое моделирование процессов воздействия концентрированных потоков энергии ультразвукового поля на расплавы металлов, в том числе разработана математическая модель процессов воздействия концентрированных потоков энергии ультразвукового поля на расплавы металлов и представлена интерпретация физических явлений, происходящих при ультразвуковом воздействии на расплавы металлов.
(7) Проведено компьютерное моделирование процессов обработки расплавов металлов мощными ультразвуковыми воздействиями.
(8) Исследована эффективность воздействий ультразвуковых полей на расплавы металлов.
(9) Исследовано влияние пористости на физико-механические свойства легких сплавов.
(10) Исследовано влияние наночастиц и структурных элементов на физико-механические свойства легких сплавов.
(11) Разработан лабораторный технологический регламент изготовления тестовых образцов лигатур Al-C методом горячего прессования.
(12) Разработан лабораторный технологический регламент изготовления тестовых образцов лигатур Al-C методом ударно-волнового компактирования.
(13) Разработана программа и методики исследовательских испытаний технологических режимов изготовления тестовых образцов лигатур.
(14) Проведены исследовательские испытания технологических режимов изготовления тестовых образцов лигатур.
(15) Изготовлены тестовые образцы лигатур с разным содержанием алмазных наночастиц методами горячего прессования и ударно-волнового компактирования.
(16) Разработаны программа и методики исследовательских испытаний тестовых образцов лигатур.
(17) Проведены исследовательские испытания тестовых образцов лигатур.
(18) Представлено обобщение и интерпретация результатов исследовательских испытаний тестовых образцов лигатур и технологии их изготовления.