Регистрация / Вход
Прислать материал

Научные основы технологии синтеза и применения нового класса лигатур для производства нанокомпозитов на основе легких сплавов для их использования в авиакосмической и транспортной отраслях

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наночастицы, лигатуры, ультразвук, ударно-волновое компактирование, экструзия, свс-синтез, легкие сплавы, физико-механические свойства, характеризация, приложения

Цель проекта:
Проведение прикладных научно-исследовательских работ для создания легких прочных наноструктурных композитных сплавов на основе алюминия и магния для их использования в авиакосмической и транспортной отраслях

Основные планируемые результаты проекта:
В настоящей работе предлагается инновационный подход введения частиц в расплав с помощью нового типа лигатур. Синтез лигатур осуществляется:
а) ударно-волновым компактированием порошковых смесей в ампулах сохранения. В ампулы помещается механоактивированная смесь микро- или наноразмерного порошка алюминия и компонентов-упрочнителей (микрочастицы TiB2, нано- и микрочастицы AlN, наночастицы ScF3, наночастицы Al2O3). Результатом такого компактирования являются стержни неправильной формы, содержащие наноразмерные структуры. Стержни технологично вводятся в расплав.
б) экструзией порошковых смесей в ампулах сохранения (смесь микро- или наноразмерного порошка алюминия и компонентов-упрочнителей (микрочастицы TiB2, нано- и микрочастицы AlN, наночастицы ScF3, наночастицы Al2O3). В результате получаются плотные компакты, в которых равномерно распределены наночастицы упрочняющей фазы.
Наночастицы и наноструктурные лигатуры синтезируются авторами проекта самостоятельно оригинальными методами на собственных установках.
В дальнейшем такие лигатуры вводятся в расплав при литье изделий из алюминиевого или магниевого сплава с одновременным воздействием вибрации и (или) ультразвукового поля. Проводится сравнение эффективности воздействия низко- и высокочастотных колебаний и их комбинации.
В проекте предусматривается оригинальная разработка новых технологий обработки жидких металлов при помощи внешних воздействий. Эти технологии позволят коренным образом изменить подход к управлению микроструктурой металлических сплавов. Наибольший интерес в рамках данного проекта представляют легкие сплавы алюминия и магния, 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 легких сплавов является одним из ключевых моментов в реализации проекта. Авторы предложения планируют проведение исследований влияния мощных ультразвуковых и субзвуковых полей. Также будут исследоваться комбинации вышеперечисленных факторов.
На всех этапах исследования (от синтеза наночастиц до конечного продукта – легкого сплава с повышенными эксплуатационными характеристиками) предполагается всестороннее изучение синтезируемых материалов методами электронной микроскопии, фазового и структурного анализа, характеризация физико-механических свойств, теплопроводности, электропроводности и т.д.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Необходимо отметить один из наиболее перспективных аспектов реализации проекта – а именно создание новых подходов к литью алюминиевых сплавов. 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 5%. Эти частицы с микронных размеров и с размерами 50–150 нм предварительно смачиваются в концентрированных лигатурах, которые затем растворяются в больших тиглях, перед литьем. Введение наночастиц в расплав будет обеспечиваться плавлением матричного алюминия концентрированной лигатуры, а их диспергирование и равномерное распределение по объему металла будет осуществляться при помощи воздействия внешних полей, в особенности мощной ультразвуковой кавитацией, интенсивным механического и/или электромагнитным перемешиванием, вибрацией и др. 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.
Что касается предела прочности на разрыв и пластичности, то предлагаемая технология позволит достичь улучшения характеристик монолитных легких сплавов и нанокомпозитов на 20–30%. 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. Также будут улучшены характеристики кованых заготовок и слитков для прессованных профилей, прутков, листового проката и катанки. Будут проведены тщательные исследования физико-механических свойств для основных типов сплавов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
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, твердого раствора, дисперсионного упрочнения, а также размера зерна и модифицирования структуры. Предлагаемый проект позволит расширить спектр существующих методов за счет использования внешних воздействий и введения наночастиц в процессе литья и кристаллизации. Металлургическая и обрабатывающая промышленность сможет получить недорогую технологию полевой обработки жидких расплавов, которая позволит более эффективно контролировать размер зерен, пористость, сегрегацию, процесс заливки форм, а также создавать инновационные материалы.
Проводимые в рамках проекта прикладные научные исследования и разработка технологий получения нанокомпозитных сплавов, 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.
На рынке лигатур на основе с добавлением микро- и наночастиц упрочнителей:
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 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 2030 года в России прогнозируется стабильный рост потребности в легких материалах. Согласно «Прогнозу научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года», утвержденному Правительством РФ от 20 января 2014, улучшение массогабаритных характеристик элементов транспортных средств, материалов, обладающих повышенной прочностью, разработка новых типов легких материалов (в первую очередь композиционных) и развитие технологий компьютерного моделирования материалов и процессов является приоритетным направлением развития научно-технологической сферы. 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 легких сплавов исчерпали свои возможности и промышленность находится в поиске материалов, способных снизить металломассу конструкций и агрегатов.
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.
Все вышеперечисленное указывает на 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:
(1) Проводится аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках исследований, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2010 – 2015 гг.
(2) Проводятся патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
(3) Выбрано и обосновано направления исследований, в том числе:
- Разработаны и обоснованы требования к исходным материалам для синтеза нового класса лигатур и нанокомпозитных легких сплавов
- Обоснованы выбранные методы синтеза нового класса лигатур и нанокомпозитных легких сплавов
- Разработаны и обоснованы требования к экспериментальным образцам лигатур (требования к фазовому и элементному составам, а также к структуре)
(4) Разрабатывается лабораторный технологический регламент синтеза наночастиц-упрочнителей
(5) Изготовливаются лабораторные образцы различных армирующих наночастиц
(6) Разработана физико-математическая модель образования лигатуры в условиях ударно-волнового воздействия.
(7) Проводится получение тестовых образцов лигатур методом ударно-волнового компактирования
(8) Проводится получение тестовых образцов лигатур методом экструзии
(9) Иностранным партнером должны быть разработаны технологические режимы введения лигатуры в различные типы сплавов на основе алюминия и магния с использованием ультразвуковой кавитационной обработки.
(10) Иностранным партнером должны быть проведены предварительные лабораторные испытания по введению лигатур, содержащих различные армирующие микро- и наночастицы.