Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка высокопрочных
сверхпластичных авиационных материалов на основе алюминия со структурой композитов, упрочненных микро- и наночастицами

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0161
Организация
НИТУ "МИСиС", МИСиС
Руководитель работ
Портной Владимир Кимович
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Внебюджетные средства
3 млн

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Солонин Алексей Николаевич

Этапы проекта

1
25.06.2009 - 30.09.2009
Показано, что для создания новых композиционных материалов со структурой дискретного типа целесообразно рассматривать следующие эвтектикообразующие добавки – Si, Mg, Mn, Fe, Cu, Ni, Ce. Данные легирующие элементы, при их совместном введении в разных комбинациях могут обеспечивать образование требуемого количества частиц фаз микронного размера в листовом материале. Переходные элементы, которыми можно дополнительно легировать сплавы – Cr, Mn и Zr, позволят образовать частицы наноразмеров, благоприятно сказывающиеся на показателях сверхпластичности и механических характеристиках разрабатываемого материала.
Проведенная технико-экономическая оценка показала, что применение способа сверхпластической формовки (СПФ) для мелко и среднесерийного производства позволяет снизить себестоимость изготовления деталей до 30…50 %, трудоемкость до 40 %. Наибольший экономический эффект - максимальное снижение себестоимости и трудоемкости изготовления изделий, достигается, когда детали, полученные сверхпластической формовкой, упрощают сборку готовых узлов. Преимущества СПФ закладываются уже на стадии проектирования конструкций летательных аппаратов. Проведены патентные исследования по алюминиевым сверхпластичным сплавам.
Для обеспечения размера зерна менее 10 мкм оптимальный размер дискретных частиц не должен быть более 1,5-2 мкм при их объемной доле не меньше 8-10%. Увеличить дисперсность зеренной структуры можно увеличивая объемную долю частиц микронного размера и дополнительно вводя частицы наноразмеров, образующиеся за счет легирования переходными металлами – Zr, Cr, Mn, Ti, Sc.
  В качестве легирующих элементов, позволяющих упрочнить алюминиевую матрицу, выбраны Zn, Mg, Cu, Si. Их концентрация должна лежать в пределах их растворимости в алюминиевом твердом растворе. При этом также очень эффективно использовать в качестве легирующих элементов переходные металлы (Sc, Zr, Mn, Cr, Fe), образующие дисперсоиды, которые позволяют сохранять нерекристаллизованную структуру, тем самым значительно увеличивая прочность конечных изделий.
  Исследование прочности защитных покрытий нанесенных на алюминиевые сплавы с разным типом структуры показало, что она сильно различается для образцов в холоднодеформированном и отожженном состоянии и практически не зависит от объемной доли избыточных фаз кристаллизационного происхождения.
Проведены термодинамические расчеты политермических и изотермических сечений многокомпонентных фазовых диаграмм двух наиболее перспективных групп сплавов:
1) Al-Cu-Zn-Mg-Fe-Si-Mn и 2) Al-Zn-Mg-Fe-Ni.
В общей сложности рассчитано более 20 разрезов и проведены расчеты более чем для 100 конкретных сплавов, которые были выбраны с учетом необходимости создания оптимально легированной матрицы для обеспечения ее сильного дисперсионного упрочнения и образования достаточно большого количества нерастворимых компактных частиц интерметаллидов для создания мелкозернистой структуры, необходимой для высокого уровня характеристик сверхпластичности. Полученные данные будут в последующем использованы при создании моделей зависимости свойств от структуры.
Методами световой и сканирующей электронной микроскопии исследована структура сплавов систем Al-Cu-Zn-Mg-Fe-Si-Mn и Al-Zn-Mg-Fe-Ni. По совокупности проделанных расчетов и экспериментов показано, что рассчитанные с использованием программы «Thermocalc» фрагменты фазовых диаграмм, а также расчеты фазового состава дают результаты, близкие к результатам прямых экспериментов.
Развернуть
2
01.10.2009 - 12.12.2009
На данном этапе были получены экспериментальные данные о пределе текучести и структурных параметрах сплавов различных систем. Разработаны и откалиброваны на основе экспериментальных данных математические модели эволюции структуры в процессе термической и деформационной обработки, а также модели, описывающие связь предела текучести с основными структурными параметрами, в том числе для высокопрочных сплавов с большим количеством эвтектической составляющей. Создана интерактивная база данных для расчета прочностных характеристик по структурным и технологическим параметрам.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
В результате выполнения работы разработаны математические модели формирования микрозеренной структуры в сплавах систем Al-Mg-Si, Al-Cu-Ce, Al-Ni-Ce, Al-Ni со структурой естественных композитов, а также сплавов системы Al-Ni-Zr, содержащих частицы наноразмеров.
Было проведено более 220 испытаний на растяжение для определения показателей сверхпластической деформации, получено более 100 значений структурных характеристик (размер зерна, объемная доля и размер фаз кристаллизационного происхождения).
На основе экспериментальных данных были откалиброваны математические модели связи показателей сверхпластической деформации со структурой и условиями деформации. Полученные модели показали достаточно высокую точность определения напряжения течения в процессе деформации (ошибка не превышает погрешность экспериментального определения свойств).
Была разработана модель связи размера частиц и условий отжига. Модель показала что размер частиц по степенному закону зависит от времени отжига и по экспоненциальному от температуры отжига. С использованием построенной модели можно провести расчет показателей сверхпластической деформации по структуре, составу сплавов и условиям термической обработки.
Все построенные модели объединены в интерактивную базу данных «Сверхпластичность». Она позволяет рассчитывать характеристики сверхпластичности по структурным и технологическим параметрам. Кроме того, в программе представлен большой объем справочных материалов по тематике сверхпластичности.
Для расширения курса программы подготовки магистров «Компьютерное моделирование в металлургии» на основе разработанных моделей коллективом исполнителей проекта был написан лабораторный практикум. Использование данного практикума при проведении лабораторных работ повысит эффективность преподавания данного курса, привьет студентам, обучающимся в магистратуре, способность создавать собственные модели металлургических процессов и программно их реализовывать.
В ходе выполнения третьего этапа работ установка была существенно модернизирована установка локализации процесса микродугового оксидирования плазменно-электролитического контакта. В частности, были приобретены следующие компоненты, вошедшие в её состав:
1) конденсаторный источник тока номинальной мощностью 40 кВт, включающий блоки управления и контроля основных параметров процесса формирования антикоррозионных наноструктурных микродуговых покрытий;
2) электролизная ванна рабочим объёмом 370 л, оснащённая змеевиком для охлаждения рабочего раствора;
3) подъёмно-погружное устройство, позволяющее с шагом 0,05 мм/мин задавать скорость погружения обрабатываемого изделия в электролит со скоростью в интервале 0-100 мм/мин.
Развернуть
4
01.07.2010 - 12.12.2010
Комплексный расчет по построенным моделям состава и параметров технологии обработки сплавов, обеспечивающих необходимое сочетание характеристик прочности и показателей сверхпластичности. Изготовление образцов по технологическим режимам, определенным в 4.1 и определение механических свойств при комнатной и повышенной температурах. Выбор и оптимизация составов двух сплавов с необходимым комплексом свойств.
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.04.2011
Получены керамические модели для сверхпластической формовки методом быстрого прототипирования. Получены из листов разработанных материалов методом сверхпластической формовки экспериментальные образцы деталей самолетных конструкций. Разработаны оптимальные технологические режимы, позволяющие стабильно получать на всей поверхности полученных модельных деталей сложной геометрической формы наноструктурные микродуговые покрытия с использованием плазменно-электролитического контакта.
Развернуть
6
01.05.2011 - 31.08.2011
б.Юкончательная корректировка состава новых материалов и всех технологических режимов получения изделий из них.
6.2 Разработка технологической документации получения новых материалов и режимов их сверхпластической формовки.
б.ЗПроизводство экспериментальных образцов деталей самолетных конструкций.
6.4 Разработка внедрения результатов исследования в образовательный процесс с разработкой программ соответствующих учебных курсов и научно-методическим обеспечением молодежной школы-конференции «Авиационные материалы».
6.4.1 Подготовка научно-методических материалов «Авиационные материалы» специального курса «Металловедение цветных металлов» для студентов, обучающихся в магистратуре.
6.4.2 Подготовка инновационного электронного учебно-методического комплекса на основе результатов НИР.
6.4.3 Подготовка научно-методических материалов для молодежной школы-конференции «Авиационные материалы».
6.4.4 Анализ научных результатов проведенной конференции.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Тема
Разработка технологий получения новых функциональных градиентных материалов, в том числе алмазосодержащих и дисперсно-упрочненных наночастицами, и освоение их производства
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
80 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка технологии производства нового поколения экономнолегированных высокопрочных наноструктурированных алюминиевых сплавов, производимых с использованием алюминия, получаемого по технологии электролиза с инертным анодом
Продолжительность работ
2014 - 2016, 29 мес.
Бюджетные средства
60 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка высокопрочного экономнолегированного силумина нового поколения и технологий ускоренного изготовления из него литых деталей с нанесением защитных покрытий для широкого класса изделий авиационной техники
Продолжительность работ
2008 - 2010, 23 мес.
Бюджетные средства
125 млн
Количество заявок
1
Тема
Композиты на основе полимерных матриц, модифицированных за счет введения наночастиц или создания наноструктур, обеспечивающие качественное улучшение эксплуатационных свойств материалов и изделий.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
6
Тема
Исследование особенностей получения микроканальных структур на основе пористого оксида алюминия и выявление технологических факторов, определяющих кинетику процесса оксидирования, свойства и строение микроканальных структур.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1