14.578.21.0098

Реализация проекта направлена на решение проблемы повышения эксплуатационных свойств легких сплавов. Целью является разработка технологий синтеза наноструктурных лигатур для повышения прочностных и эксплуатационных свойств легких сплавов Реализация проекта обеспечит повышения качества легких сплавов, используемых в производстве космических, транспортных и летательных систем, строительных конструкций, кабельной и другой продукции из алюминиевых и магниевых сплавов.

Улучшение свойств (предел прочности, предел текучести, твердость, рабочая температура) без увеличения плотности сплавов на основе алюминия и магния, является актуальной задачей развития космических и транспортных технологий.
В этих условиях перспективным представляется получение лигатуры (алюминиевого композита), способной повысить свойства сплавов от 20 до 50 % с увеличением рабочих температур до 350 оС. Такими лигатурами могут выступать химические соединения Al4C3. По аналогии с другими карбидами металлов модуль упругости карбида алюминия достигает значений 350 ГПа. Соединение устойчиво вплоть до температуры 1400 оС, что указывает на возможность получения алюминиевых композитов с температурой плавления, превышающую температуру плавления технически чистого алюминия. Карбид алюминия применяется в таких композитах, как Mg-Al4C3, Al-Al4C3, Al-SiC-Al4C3, Al-Al2Ti-Al4C3. За последние 5 лет большинство исследователей, занимающихся изучением таких сплавов, отмечают высокие механические характеристики получаемых материалов. В первую очередь, это связано с образованием мелкозернистой структуры, где важное значение имеют переохлаждение и концентрация зародышей кристаллизации. Основная задача проекта – получение ряда инновационных концепций и прототипов технологических решений при синтезе наноструктурных материалов Al-Al4C3 из нанопорошков алюминия и детонационных наноалмазов методами горячего прессования и ударно-волнового компактирования, с целью их использования в качестве высокоэффективных модифицирующих и легирующих составов при литье и обработке легких сплавов алюминия и магния.

В качестве метода получения нанопорошков алюминия используется метод электрического взрыва проводников, который реализуется на базе головного исполнителя по проекту – ТГУ. Электрический взрыв проводника (ЭВП) реализуется при прохождении через металлическую проволоку импульса тока плотностью 10⁶ – 10⁹ А/см². Металл проводника нагревается до температуры плавления, плавится, а затем взрывообразно разрушается. Процесс сопровождается потерей электропроводности, яркой вспышкой света, диспергированием металла и ударной волной, формирующейся в окружающем проводник газе. В зависимости от рода газа, окружающего проводник, и металла проводника процесс электрического взрыва позволяет получить нанопорошки металлов, сплавов, химических соединений или нанопорошки композиционного состава. Таким образом, методом электрического взрыва проводников будет синтезирован порошок алюминия с размером частиц 70-300 нм.

У соисполнителя проекта – ОАО ФНПЦ «Алтай» развиты технологии детонационного синтеза алмазоуглеродных порошков, в которых образуются частицы размером от 4-6 нм до 2000 нм, представляющие собой агломераты различного фракционного и фазового состава: наноалмазы, луковичный углерод, псевдографит и др. Данные продукты обладают активной поверхностью с удельной площадью до 450 м²/г, что позволяет рассматривать их как эффективный компонент для создания высококонцентрированных наноструктурных материалов Al-Al₄C₃. Однако так как образующиеся в результате детонационного синтеза порошки характеризуются гетерогенностью, это может приводить к значительной неоднородности свойств получаемых на их основе карбидов системы Al-C и снижению их целевых показателей. Вследствие чего перспективной представляется разработка способов получения наноуглеродных порошков с узким и контролируемым распределением фазового и фракционного составов (которые можно отнести к наноуглеродам нового поколения) для последующего синтеза высококонцентрированных наноструктурных материалов. Предлагаемые легкие сплавы на основе алюминия и магния с повышенными эксплуатационными характеристиками будут получены путем введения в расплав высококонцентрированной лигатуры («Мастер сплава») с наночастицами алмаза и карбида алюминия, при этом содержание упрочняющих частиц в сплавах после их кристаллизации будет составлять от 0.1 до 5 вес.%.

Выбран способ получения лигатур и легких сплавов. Проведена сравнительная оценка влияния электромагнитных, ультразвуковых полей и механического перемешивания на литейные процессы. Разработаны базовые положения физико-математических моделей по расчету физических процессов в расплавах металлов при обработке ультразвуком. Разработана математическая модель процессов воздействия концентрированных потоков энергии ультразвукового поля на расплавы металлов и проведена интерпретация физических явлений, происходящих при ультразвуковом воздействии на расплавы металлов. По разработанным ЛТР были изготовлены образцы лигатур Al-C. Проведены исследования фазового состава и рентгеноструктурных параметров тестовых образцов лигатур. С использованием синтезированных лигатур получены композитные сплавы на основе алюминия и магния. По разработанным ПМ исследованы свойства композитных сплавов. 

Установлено, что явления, происходящие при ультразвуковой обработке расплавов металлов, определяются процессами кавитации, выявлены нелинейные зависимости пороговой интенсивности излучения, необходимой для диспергирования частиц, определено, что материалы, содержащие большое количество наночастиц, могут быть использованы в качестве лигатуры для легких сплавов на основе алюминия и магния. Матричная основа этих материалов легко сплавляется с расплавом, а концентрат лигатуры – наночастицы распределяются равномерно по структуре слитка. 

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, безопасность потребителя. В аэрокосмической и автомобильной отраслях промышленности, замена стали на легкие сплавы приводит к облегчению конструкции и улучшению топливной эффективности.