Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0025

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0025
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Название доклада
Разработка и совершенствование способов получения высокопрочных легких сплавов и металломатричных нанокомпозитов с повышенными эксплуатационными характеристиками
Докладчик
Ворожцов Александр Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка 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.
Введение наночастиц в расплав будет обеспечиваться плавлением матричного алюминия (магния) концентрированной лигатуры, а их диспергирование и равномерное распределение по объему металла будет осуществляться при помощи воздействия внешних полей, в особенности высокоскоростное МГД перемешивание, мощная ультразвуковая кавитация, интенсивное механическое перемешивание и др. 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.
Актуальность и новизна исследования
Основная задача проекта – предложить ряд инновационных концепций в сфере обработки жидких металлов, которые, при условии увеличения масштабов использования, могут иметь большое значение для производства. Ключевым технологическим моментом, объединяющим вышеупомянутые четыре отрасли (производство первичных металлов, сплавов, обработку и повторную переработку), является “кристаллизация”. Тот факт, что в технологии производства 97% всех металлических изделий используется, по крайней мере, один процесс кристаллизации, говорит о том, насколько важно понимать микро/наноструктуры, образующиеся на стадии кристаллизации в металлах, сплавах и композитных материалах и управлять ими.
Реализация предлагаемого проекта позволит российским компаниям, занимающимся разработкой сплавов, литейным цехам и пользователям конечной продукции успешно запатентовать новые технологии процесса кристаллизации, легкие сплавы и композитные материалы, тем самым обеспечив себе преимущество по отношению к крупнейшим в данной отрасли компаниям из США и стран Европы и Азии.
Проект направлен на решение проблемы повышения качества легких сплавов, которые используются или могут использоваться в перспективе в производстве автомобилей, летательных аппаратов, строительных конструкций, кабельной продукции и другой продукции из алюминиевых и магниевых сплавов.
Описание исследования

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, прессового спекания, разрабатываемыми авторами проекта.

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.

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.

Результаты исследования

В результате выполнения работ по проекту обобщены существующие и предложены оригинальные научно-технические решения в области разработки и создания новых высокопрочных легких сплавов и металломатричных нанокомпозитов. Отработаны технологии синтеза и всесторонне исследованы неметаллические наночастицы (в том числе наноразмерные алмазы и оксиды металлов). Подробно описаны теоретические подходы к улучшению прочностных характеристик дисперсно-упрочненных сплавов, дана оценка влияния особенностей пористой среды на физико-механические свойства легких металломатричных нанокомпозитов. Разработаны модели, описывающие физические явления, происходящие в расплаве под действием внешних полей. Согласно полученным данным, процесс кристаллизации в значительной степени определяется наличием примесей (в том числе наноструктурных).  Обоснован выбор технологии обработки расплавов металлов мощными ультразвуковыми воздействиями в сочетание с интенсивным механическим перемешиванием для равномерного распределения упрочняющих частиц по объему расплава, а затем и по структуре слитка. Проведено теоретическое описание процесса смачиваемости наночастиц расплавом металла при ультразвуковой обработке. Установлено, что под действием кавитации, создаваемой ультразвуковыми колебаниями в расплаве, происходит разрушение агломератов. Установлена зависимость времени смачивания от масштабного фактора. Решены задачи математического моделирования процесса введения наночастиц в расплав металла, определены условия для создания развитой кавитации. Расчеты выявили пороговый характер влияния интенсивности ультразвукового излучения на скорость кристаллизации металла, что соответствует полученным ранее экспериментальным данным. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов легких металломатричных нанокомпозитов, наноструктурных лигатур и легких сплавов. Проведены маркетинговые исследования по модификаторам и упрочнителям. Разработан лабораторный регламент получения легких металломатричных нанокомпозитов и наноструктурных лигатур.Проведены экспериментальные исследования структуры и определены физико-механических свойств легких металломатричных нанокомпозитов и наноструктурных лигатур. Проведена обработка и интерпретация результатов экспериментальных исследований по изучению структуры и определение комплекса физико-механических свойств легких металломатричных нанокомпозитов и наноструктурных лигатур. Разработаны лабораторные регламенты получения легких сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками, в том числе при обработке электромагнитными полями; при обработке мощным ультразвуковым полем;  при введении наноструктурных лигатур, предварительно скомпактированных под воздействием взрыва с одновременным воздействием мощного ультразвукового поля.Проведены экспериментальные исследования влияния внешних полей (ультразвукового, электромагнитного) в процессе получения легких сплавов на их структуру. Обработаны и интерпретированы экспериментальные исследования по изучению структуры и определения комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств легких сплавов и влияния внешних полей (ультразвукового, электромагнитного) на структуру легких сплавов. Завершены работы по подготовке производства модификаторов и наноструктурных лигатур.

Практическая значимость исследования
Полученные на основе разрабатываемой технологии легкие материалы на основе алюминия и магния, упрочненные различными материалами (наночастицами оксида алюминия, многослойными углеродными нанотрубками, наноалмазами и т.д.), с необходимыми физико-механическими параметрами обеспечат возможность получения 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 существенному облегчению конструкции и улучшению топливной эффективности.