Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0004

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0004
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка технологии получения слитков боралюминия, предназначенных для получения листового проката радиационно-защитного назначения, обеспечивающего прочность ( в) не менее 300 МПа за счет наноразмерных фаз вторичного происхождения
Докладчик
Белов Николай Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта: разработка технологии получения нового вида материалов – высокопрочных бор-содержащих алюминиевых сплавов радиационно-защитного назначения в виде листового проката с заданных комплексом физико-механических свойств.
Проект направлен на выполнение работ по разработке легких борсодержащих сплавов с заданным уровнем характеристик, включая способ их получения (применительно к жидкофазной технологии). Для достижения заданных технических показателей будет проведен комплекс работ по выбору и обоснованию технологических режимов, обеспечивающих достижение заданной структуры, что в свою очередь позволит получить высокий уровень эксплуатационных (включая коррозионные, механические и теплофизические) и технологических свойств. Положительные результаты проекта позволят приступить к организации промышленного производства борсодержащих материалов нового поколения. Эти материалы найдут применение в первую очередь в атомной промышленности, кроме того могут быть использованы в оборонной и космической промышленности, а также в других отраслях связанных с необходимостью защиты от нейтронного излучения.
Актуальность и новизна исследования
В России до сих пор нет производства борсодержащих алюминиевых сплавов, при этом существует потребность в них. В частности, при транспортировке отработанных радиоактивных отходов, перевозка которых осуществляется в контейнерах, изготовленных из борнаполненной стали. Особую актуальность данной работе придает то, что из-за значительной возросшей аварийности на железнодорожном транспорте, Госатомнадзором было запрещено проводить перевозки отходов в контейнерах старого типа, которые были изготовлены в 60-80 хх годах, т.к. они не отвечают требованиям безопасности. Рынок данных материалов является весьма перспективным не только в нашей стране, но и в зарубежных странах, благодаря принятой на западе политике раздельного контейнерного хранения отработанного ядерного топлива и радиоактивных материалов как наиболее безопасной. Поэтому создание новых легких боралюминиевых материалов, с высокими физико-механическими характеристиками, и разработка технологий их производства является актуальной задачей, причем не только в настоящий момент, но и в обозримом будущем.
Описание исследования

На основе исследований по выбору оптимальной схемы термо-деформационной обработки, выполненных на 3 этапе, подготовленные слитки с толщиной 40 мм подвергали горячей деформации. Для нагрева под прокатку использовали печь ЭКПС 500 с точностью поддержания температуры ± 10 °С. Перед проведением деформационной обработки был проведен гомогенизационный отжиг при температуре 500 °С продолжительностью 6 часов. Подобранный режим способствует минимальной легированности алюминиевого твердого раствора, что обеспечивает высокую технологичность материала при деформационной обработке.

После гомогенизационного отжига слитки подвергали термо-деформационной обработке по различным режимам, включающим горячую прокатку, холодную прокатку и промежуточные смягчающие отжиги. Структурные исследования образцов листового проката боралюминиевых сплавов проводились на сканирующем электронном микроскопе TescanVega 3 SHB в режиме отраженных электронов.

Механические характеристики листового проката исследовали после термической обработки образцов: после естественного старения при комнатной температуре в течение 7 суток (состояние Т4), а также после искусственного старения при различных температурах по режимам, определенным на 3 этапе научных исследований, включая режим старения на максимальную прочность (состояние Т6).

Уровень упрочнения листового проката из исследуемых материалов проводили методом измерения твердости по Виккерсу согласно ГОСТ 2999 - 75 [1] на универсальном твердомере NEMESIS 9000 фирмы INNOVATEST. Использовали следующие режимы испытаний: для горячекатаных листов - прилагаемая нагрузка – 5 кгс, время выдержки 15 сек; для холоднокатаных листов - прилагаемая нагрузка – 1 кгс, время выдержки 10 сек. Погрешность измерения размера отпечатка цифровым микрометром составляла не более 1 мкм. Для каждого образца проводилось 5 измерений для определения средней величины твердости. Образцы имели толщину, превышающую диагональ отпечатка более чем в 1,5 раза. Поверхность образцов имела шероховатость не более 0,16 мкм по ГОСТ 2789-73, после каждого этапа термо-деформационной обработки снималась оксидная плена.

Для определения механических характеристик листов вырезали образцы размером 10×135 мм, кромки зачищали на шлифовальной бумаге. Для определения временного сопротивления разрыву σв, предела текучести σ0,2 и относительного удлинения δ образцы подвергали испытанию на одноосное растяжение на разрывной машине Instron 150lx, со скоростью 10 мм/мин, согласно ГОСТ 1497-84 [2] и ГОСТ 11701-84 [3].

Коррозионные испытания проводили в соответствии с ГОСТ 9.021-74 [4] в растворе следующего состава(состав приведен в расчете на 1 литр): 57 грамм NaCl; 100 мл H2O2; 843 мл воды. Для сварки боралюминиевых сплавов использовали аргонно-дуговую сварку и сварку трением с перемешиванием.

Результаты исследования

На основе режимов деформационно-термической обработки (включающей гомогенизационный отжиг, горячую и холодную прокатку, а также промежуточные отжиги и упрочняющую термообработку), определенных на 3 этапе, из слитков сплавов Al-4%Cu-2,5%Mg-2%B и Al-6%Cu-2%B изготовлены экспериментальные образцы в виде листового проката различной толщины вплоть до 0,28 мм. Подтверждена высокая деформационная технологичность данных боралюминиевых сплавов.

С использованием методов сканирующей электронной микроскопии проведены структурные исследования экспериментальных образцов, вырезанных из листового проката вышеуказанных сплавов. Показано, что деформация приводит к уменьшению среднего размера боридов и медь-содержащих частиц эвтектического происхождения.

Определены механические свойства на растяжение экспериментальных образцов данных боралюминиевых сплавов в виде листового проката после упрочняющей термообработки по режимам Т4 (закалка и естественное старение) и Т6 (закалка и старение на максимальную прочность). Показано, что показатели прочности и пластичности обоих сплавов существенно превышают требуемые значения. Однако, сплав Al–4%Cu–2,5%Mg–2%B, имеющий более сложный химический состав, способен проявлять нестабильность структуры и свойств из-за присутствия магния. Поэтому этот сплав исключен из дальнейшей работы.

Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов листового проката сплава Al–6%Cu–2%B. по разработанной на 1 этапе Программе и методикам, включая определение толщины образцов, предела прочности на растяжение в термообработанном состоянии и после нагрева до 300 °С, относительного удлинения, коэффициента линейного температурного расширения (ТКЛР), теплопроводности и толщины антикоррозионного покрытия. Материал удовлетворяет требованиям технического задания, для получения наиболее оптимальных свойств необходима термическая обработка по режиму: закалка 540 °С с последующим старением 210 °С в течении 3 часов.

Обоснована целесообразность нанесения антикоррозионного покрытия на листы сплава Al–6%Cu–2%B методом микродугового оксидирования. Получены опытные образцы с покрытием, толщиной 38 мкм.

Проведено исследование по установлению связи между параметрами структуры слитка сплава Al–6%Cu–2%B и свойствами листового проката. Показано, что основным фактором, который определяет механические свойства листового проката является наличие наноразмерных выделений фазы Θ' (Al2Cu) в количестве не менее 6 об%. Для реализация такой структуры в листах слитки сплава должны содержать не менее 5%Cu  либо в алюминиевой матрице (твердом растворе и во вторичных выделениях фазы Al2Cu).   Показано, что боридные частицы практически не оказывают влияния на процесс дисперсионного твердения, что связано с низкой растворимостью бора в алюминиевом твердом растворе.

 

Практическая значимость исследования
Результаты работы будут использованы в металлургии, в частности разработанная технологии (вся технологическая цепочка, включая производство слитков и их термо-деформационную обработку) производства листов с последующим их применением в ядерной энергетике. Положительные результаты данного проекта позволят приступить к выполнению ОКР, которые приведут к организации промышленного производства борсодержащих материалов нового поколения. Эти материалы найдут применение в первую очередь в атомной промышленности, кроме того могут быть использованы в оборонной и космической промышленности, а также в других отраслях связанных с необходимостью защиты от нейтронного излучения. Уменьшение веса этих конструкций позволит существенно улучшить характеристики и, в первую очередь экономичность.
Разрабатываемые материалы по комплексу своих характеристик будут превосходить лучшие зарубежные аналоги. Создание новой технологии производства боралюминиевых материалов имеет приоритетное народнохозяйственное значение, будет способствовать развитию высокотехнологического производства в России, позволит занять лидирующие позиции на внутреннем и внешнем рынках продукции радиационно-
защитного назначения, а также будет способствовать развитию ядерной энергетики, ее большей экологичности и безопасности.
Разрабатываемые материалы и технологии обеспечат лучшие показатели коррозионной стойкости, удельного веса, экономической эффективности по сравнению с показателями борированной стали, использующейся в настоящее время в России для аналогичных целей.