КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-79-00106

НазваниеОбоснование состава проводниковых термостойких наноструктурных алюминиевых сплавов системы Al-Ca-Mn-Zr, получаемых литьем в электромагнитный кристаллизатор

РуководительКороткова Наталья Олеговна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаАлюминиевые деформируемые сплавы, проводниковые алюминиевые сплавы, удельная электропроводность, фазовый состав, термомеханическая обработка, микроструктура, наночастицы, термостойкость, физико-механические свойства

Код ГРНТИ53.49.15

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на формулирование научных принципов конструирования новых проводниковых термостойких алюминиевых сплавов, обладающих оптимальным уровнем физико-механических свойств. Подход к созданию принципов конструирования новых сплавов базируется на анализе фазового состава многокомпонентных систем легирования. Обозначенная в последние годы стратегия развития по увеличению доли алюминия в энергетическом секторе в качестве токопроводящего материала, в том числе, взамен меди, определяет новые требования к алюминиевым сплавам, прежде всего по их пропускной способности (ГОСТ Р МЭК 62004-2014, ASTM B-941). Наиболее целесообразным подходом к увеличению пропускной способности провода является, прежде всего, повышение термостойкости алюминиевого сплава, и только в последствии увеличение сечения проводника. Поскольку повышение термостойкости ведет, как правило, к снижению электропроводности сплава – основной характеристики токопроводящего материала, то решение проблемы повышения физико-механических свойств термостойких алюминиевых проводниковых сплавов является актуальной задачей. Повышенной термостойкостью среди имеющихся проводниковых алюминиевых сплавов обладает авиационный сплав 01417 (Al-7%РЗМ), рассчитанный на длительную эксплуатацию при температуре до 250 °С включительно. Сплав 01417 по сравнению с классическими проводниковыми сплавами (1370, 8076, ABE) имеет несколько особенностей. Так, технология изготовления сплава предусматривает использование высоких скоростей охлаждения (свыше 1000 К/с), что обеспечивает мелкодисперсную структуру. В свою очередь, реализация таких высоких скоростей охлаждения делает возможным увеличение содержания легирующих добавок – доля вторых фаз в сплаве 01417 составляет ~9 об.%. Если ранее сплав 01417 был адаптирован к производству по трудоемкой гранульной технологии с последующими операциями порошковой металлургии (технология RS/PM), то в настоящее время стало возможным достижение обозначенных скоростей охлаждения за счет разработки метода литья в электромагнитный кристаллизатор (технология ЭМК). Однако несмотря на безусловные преимущества сплава 01417, стоит отметить, что для его производства требуется чистота по примесям не ниже уровня А7Е и специализированная технология получения. Это делает сплав 01417 более дорогим и неадаптивным к существующей серийной промышленной технологии непрерывного литья и прокатки (СЛНП), литую заготовку в которой получают при скорости охлаждения ~ 20 К/с. В связи с чем для решения проблемы повышения физико-механических свойств проводниковых алюминиевых сплавов предлагается рассмотреть принципиально новые системы легирования Al-Ca-Mn-Zr- (Fe)-(Si). В предлагаемых системах повышение термостойкости обеспечивается как за счет введения добавки циркония, так и полезной добавки кальция. Польза добавки кальция в разрабатываемых проводниковых сплавах обусловлена его способностью нейтрализовывать вредное воздействие растворимых в алюминии примесей Mn и Si за счет образования интерметаллидных соединений компактной морфологии. Таким образом, ожидается получение структуры принципиально подобной структуре сплава 01417, содержащей вторые фазы компактной морфологии, в частности Al10MnCa2, вносящих вклад в термостойкость сплава, и минимально легированный твердый раствор (Al) – матричную фазу, обеспечивающий электропроводность сплава. Назначением добавки циркония является повышение термостойкости сплава за счет образования наночастиц фазы структурного типа L12 (Al3Zr), диаметром 10-15 нм при гетерогенизационном отжиге и повышением температурно-деформационного порога рекристаллизации. Предлагаемый подход направлен на обеспечение возможности получения термостойких проводниковых наноструктурных алюминиевых сплавов как с использованием серийной технологии СНЛП, так и технологии электромагнитного литья (ЭМК). Предполагается, что сплавы, получаемые по способу СНЛП будут обладать термостойкостью на уровне сплава 01417, в сплавах, получаемых по технологии ЭМК ожидается улучшенный комплекс свойств. Полученные результаты позволят расширить сортамент производства изделий из алюминиевых сплавов, что приведет к увеличению потребления алюминия. Возможность использования алюминия низкосортных марок для производства новых сплавов также расширит ранок потребления алюминия за счет снижения стоимости. Новые термостойкие сплавы, получаемые по технологии ЭМК, смогут послужить достойной альтернативой жаропрочному сплаву 01417. Более низкая стоимость кальция по сравнению с церием, выигрыш в весе конечных изделий при высоком уровне свойств электропроводности, прочности и термостойкости являются безусловным преимуществом новых разрабатываемых сплавов. Научная новизна ожидаемых результатов состоит в: -проведении расчетным и экспериментальным путем количественного анализа фазового состава сплавов систем Al-Ca-Mn-Zr-(Fe)-(Si), в том числе для условий неравновесной кристаллизации. Полученные результаты позволят установить предельно допустимые концентрации компонентов сплавов. -установлении расчетными и экспериментальными методами зависимости электропроводности от фазового и химического составов, параметров структуры проводниковых сплавов системы Al-Ca-Mn-Zr-(Fe)-(Si) при отжиге в интервале температур; -установлении зависимости влияния параметров фазового состава и структуры, формирующихся при литье со скоростями охлаждения литой заготовки ~20 К/с и ~1000 К/с, на механические свойства литых заготовок и деформированных полуфабрикатов из разрабатываемых сплавов системы Al-Ca-Mn-Zr-(Fe)-(Si); -установлении зависимости влияния параметров термомеханической обработки, перспективных сплавов на фазовый состав, структуру и физико-механические свойства; -обосновании состава новых проводниковых термостойких сплавов на базе систем Al-Ca-Mn-Zr-(Fe)-(Si) при реализации технологии непрерывного литья и прокатки (скорость охлаждения слитка ~20 К/с) и способа получения проволоки с использованием технологии литья в электромагнитный кристаллизатор (скорость охлаждения слитка ~1000 К/с).

Ожидаемые результаты
В рамках реализации настоящего проекта ожидаются следующие результаты: -получение с применением программного обеспечения Thermo-Calc количественных данных фазового состава перспективных сплавов системы Al-Ca-Mn-Zr-(Fe)-(Si), в том числе состава алюминиевого твердого раствора, доли матричной фазы и вторых фаз в температурных интервалах, а также при возможных температурах термической и деформационных обработок; -установление экспериментальными методами закономерностей влияния Mn, Fe и Si и Zr на литую структуру, в том числе количество и морфологию вторых фаз. Полученные результаты в условиях реализации скоростей охлаждения ~20 К/с и ~1000 К/с позволят обосновать концентрации марганца, железа, кремния и циркония, позволяющих обеспечить минимально легированную матричную фазу - твердый раствор алюминия, и компактную морфологию вторых фаз за счет образования интерметаллидов в составе дисперсной эвтектики; -выявление экспериментальными методами зависимости электропроводности и твердости при отжиге от концентрации легирующих и примесных элементов и параметров структуры слитков, полученных при скоростях охлаждения ~20 К/с и ~1000 К/с; -установление закономерностей влияния формирующихся в процессе термомеханической обработки параметров фазового состава и структуры, включая субмикро- и наноразмерные параметры, на физико-механические свойства деформированных полуфабрикатов в виде листа, прутка и проволоки; -разработка технологических режимов получения проводниковых деформированных полуфабрикатов с оптимальным комплексом физико-механических свойств из сплавов системы Al-Ca-Mn-Zr-(Fe)-(Si) применительно к технологии СНЛП, при реализации скорости охлаждения литой заготовки ~20 К/с. Разработка технологических режимов будет проведена в условиях моделирования промышленного процесса получения проволоки, по проработанной методике, адаптированной применительно к процессу Countinuus-Properzi; -разработка технологических режимов получения проводниковых деформированных полуфабрикатов с оптимальным комплексом физико-механических свойств из сплавов системы Al-Ca-Mn-Zr-(Fe)-(Si) применительно к технологии производства проволоки с мелкодисперсной структурой с использованием способа литья в электромагнитный кристаллизатор (технология ЭМК). Скорость охлаждения литой заготовки при реализации данной технологии и технологии RS/PM сопоставимы – свыше 1000 К/с. По совокупности расчетных и экспериментальных данных будут сформулированы научные принципы легирования новых проводниковых термостойких алюминиевых сплавов на базе систем Al-Ca-Mn-Zr-(Fe)-(Si). Разработка технологических режимов получения проволоки, применительно к промышленной технологии непрерывного литья и прокатки направлена на расширение сортамента производства изделий из алюминиевых сплавов, что приведет к увеличению потребления алюминия. Разработка технологических режимов применительно к производству проволоки с мелкодисперсной структурой (технология ЭМК) направлена на создание новых термостойких сплавов, составляющих конкуренцию жаропрочному сплаву 01417. Запланированные результаты и предложенные методы их достижения в настоящей работе соответствуют мировому уровню исследований в области конструирования проводниковых сплавов, о чем свидетельствуют многочисленные научные статьи исследователей из США, Китая, стран ЕС, Великобритании и РФ в высокорейтинговых изданиях, а также многочисленные изобретения. Запланированные разработки могут найти применение, в первую очередь, для предприятий Объединенной компании «РУСАЛ». Также предприятия АО «Электрокабель» Кольчугинский завод», АО «Сибкабель», АО «Уралкабель», ЗАО «МОСКАБЕЛЬ», ООО «Камский кабель», СОАО «Гомелькабель», производящие кабельно-проводниковую продукцию для нужд машиностроения, энергетики, металлургии, авиа- и нефтедобывающих отраслей, смогут воспользоваться полученными результатами.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. С использованием расчетных и экспериментальных методов изучено влияние отжига в интервале температур 300-600 °С на фазовый состав, структуру и свойства экспериментальных сплавов состава Al-0.5%Mn-(0-0.5) %Ca в виде слитков и холоднокатаных листов с относительной степенью обжатия 80%. На этапе расчета фазового состава сплавов системы Al-Ca-Mn в области алюминиевого угла для сплава состава Al-0.5 %Mn-0.1 %Ca установлено наличие фазового перехода из области состава (Al)+Al6Mn+Al10CaMn2 в область (Al)+Al4Ca+Al10CaMn2 в интервале температур 400-500 °С. Анализ литой микроструктуры сплавов с добавкой Ca в условиях неравновесной кристаллизации выявил наличие эвтектики (Al)+Al4Ca. В структуре холоднокатаных листов сплавов состава Al-0.5%Mn-(0.1-0.5) %Ca после отжига при 500 °С по границам дендритных ячеек обнаружены включения, определенные как фаза Al10CaMn2. Полученные результаты позволили сделать вывод о возможности образования фазы Al10CaMn2 в виде вторичных выделений при проведении гомогенизирующего отжига за счет распада твердого раствора (Al). Ранее был изучен только кристаллизационный характер образования данного соединения. Анализ влияния отжига на удельное электросопротивление (УЭС) холоднокатаных листов из сплавов состава Al-0.5 %Mn-(0-0.5) %Ca установил, что сплавы Al-0.5 %Mn-0.5 %Ca и Al-0.5 %Mn при отжиге 450 °С достигают минимальных сопоставимых значений – 37.2 и 36.9 нОм·м. Сплав Al-0.5 %Mn отвечает области (Al)+Al6Mn, а сплав Al-0.5 %Mn-0.5 %Ca области (Al)+Al4Ca+Al10CaMn2. Результат обоснован расчетными данными, а именно сопоставимой долей фаз Al6Mn и Al10CaMn2 при данной температуре. Образование фазы Al10CaMn2 позволяет нивелировать влияние второй фазы, а именно Al4Ca, на УЭС. Анализ твердости холоднокатаных образцов установил, что 3-часовой отжиг при 300 °С приводит к снижению значений в сплаве Al-0.5%Mn-0.5%Ca на 9.6%, и на 4.6% для сплава Al-0.5%Mn. 2. С использованием расчетных и экспериментальных методов изучено влияние изотермической выдержки при температурах 350 °С,400 °С и 450 °С длительностью 96 часов на фазовый состав и УЭС сплавов Al-1.5%Mn и Al-1.5%Mn-0.5%Ca в виде холоднокатаных листов с относительными степенями обжатия 60 и 90 %. Изучение влияния изотермического отжига позволило установить закономерность образования фазы Al10CaMn2. Установлено в ходе изотермической выдержки при 450 °С, что сплав Al-1.5 %Mn-0.5 %Ca отвечает составу фазовой области (Al)+Al10CaMn2+Al4Ca, претерпевая фазовый переход из области состава (Al)+Al6Mn+Al10CaMn2. В структуре холоднокатаного листа доля фазы Al4Ca в составе двойной эвтектики составляет 2.1 мас.%. При проведении 24-часового отжига при 450 °С доля фазы Al4Ca снижается до 0.1 мас.% за счет образования из (Al) выделений Al10CaMn2 размером ~ 500 нм. Показано, что наиболее эффективной из предложенных режимов по критерию наименьшего удельного электросопротивления для сплава Al-1.5%Mn-0.5%Ca является выдержка при 400 °С, а для сплава Al-1.5%Mn при 450 °С. Повышенные значения электросопротивления при изотермическом отжиге 450 °С для сплава Al-1.5%Mn-0.5%Ca обусловлены фазовым переходом в область (Al)+Al10CaMn2+Al4Ca с образованием соединения Al10CaMn2 по границам дендритных ячеек (Al). Расчетными и экспериментальными методами установлено определяющее влияние диффузии Mn в (Al) при отжиге 450 °C на распад твердого раствора алюминия. Показано, что уже при 3-х часовой выдержке при 450 °С среднеквадратичный диффузионный путь атомов Mn в (Al) достаточен для образования соединения Al10CaMn2 в сплаве Al-1.5%Mn-0.5%Ca и соединения Al6Mn в сплаве Al-1.5%Mn. При температурах 350 °С и 400 °С фактором, определяющим распад (Al), является возрастание свободной энергии межфазных границ, повышающих их диффузионную проницаемость 3. С использованием расчетных и экспериментальных методов определено распределение фаз в твердом состоянии в области алюминиевого угла диаграммы состояния Al-Ca-Mn-Fe. Согласно этому распределению в системе находятся 3 четырехфазные области: I – (Al)+Al4Ca+Al10CaFe2+Al10CaMn2, II – (Al)+Al6(Fe,Mn) + Al10CaMn2 + Al10CaFe2, III – (Al)+Al10CaFe2+Al3Fe+Al6(Fe,Mn). Изучено формирование структуры в условиях скорости охлаждения слитка ~15 К/с и после температурного нагрева сплавов состава Al-2%Ca-(0-1)%Mn-(0-0.3)% Fe. В литой структуре сплавов Al-2%Ca-(0-1)%Mn-(0.1-0.3)% Fe помимо реализации эвтектики (Al)+Al4Ca+Al10CaFe2, выявлено соединение Al3Fe, что обусловлено подавлением перитектической реакции L+Al3Fe →(Al)+Al10CaFe2 +Al10CaMn2. Структура сплавов Al-2%Ca-(0.5-1)%Mn-(0.1-0.3)%Fe в ходе проведения многостадийного отжига характеризуется образованием выделений фазы Al10CaMn2 из (Al) и наличием фазы Al6(Fe,Mn). Оценка влияния температуры отжига на удельное электросопротивление (УЭС) показала, что для холоднокатаных листов со степенью обжатия 80% из сплавов Al-2%Ca-(0.1,0.3) %Fe c добавкой 0.5 %Mn снижение значений при отжиге 300 °С составляет ~8%, а для сплавов Al-2 %Ca-(0.1,0.3) %Fe с добавкой 1 %Mn достигает 16%. Минимальный уровень УЭС в холоднокатаных образцах, соответствующий максимальному распаду раствора (Al), достигается при температуре 450 °С. При этой температуре снижение УЭС для сплавов с 0.5 %Mn составляет 24%, а для сплавов с 1 %Mn – 40 %. Установлено, что сплавы с добавкой Fe позволяют снизить УЭС при отжиге - абсолютный показатель при 450 °С в холоднокатаном листе сплава Al-2 %Ca-0.5 %Mn-0.3 %Fe составляет 35.1 нОм·м при суммарной доле вторых фаз – 9.7 об.%, а в сплаве Al-2 %Ca-0.5 %Mn – 36.8 нОм·м при доле вторых фаз 9.1 об.%. При этом уровень удельного электросопротивления в проволоке сплава 01417 (Al-7%РЗМ) составляет 32-31 нОм·м при суммарной доле вторых фаз 9 об.%. Проведенный анализ влияния отжига на твердость холоднокатаных образцов установил снижение значений на 15% для сплавов состава Al-2 %Ca-(0.1,0.3) %Fe при 300 °С. Для сплавов Al-2 %Ca-(0.1,0.3) %Fe с добавкой 0.5 %Mn эта величина составила 13%, а для сплавов Al-2 %Ca-(0.1,0.3) %Fe с добавкой 1 %Mn - 6%, что обусловлено присутствием Mn в (Al). Отжиг при температуре свыше 300 °С приводит к разупрочнению холоднокатаных листов, что также говорит о малом вкладе марганца при выбранных концентрациях в термостойкость экспериментальных композиций. 4. Изучены структура, фазовый состав и физико-механические свойства сплава Al-4%Ca-2%Mn, полученного в условиях литья в электромагнитный кристаллизатор. Опробованный режим термомеханической обработки от исходного прутка до ленты 2 мм (степень обжатия 77%) позволил снизить удельное электросопротивление на 62%. Проведен анализ влияния 24-х часового изотермического отжига ленты 2 мм при 350 °С на УЭС и твердость. Установлено, что выдержка при 350 °С приводит к снижению УЭС при максимальном времени обработки на 8% с 46.9 нОм·м до 43.3 нОм·м с сохранением упрочнения от исходного состояния (~65 HV). Полученные результаты согласуются с анализом микроструктуры – в структуре холоднокатаной ленты выявлены выделения фазы Al10CaMn2, образовавшиеся при предварительной термомеханической обработке. Максимальное время отжига не привело к значимым различиям в структуре, что согласуется с экспериментальными данными по изменению электросопротивления. Проведенный рентгенофазовый анализ подтвердил образование фазы Al10CaMn2. Проведена оценка механических свойств холоднокатаной ленты толщиной 0.5 мм, полученной из 2 мм, в исходном состоянии и после 10-ти часовой выдержки при 350 °С. Показатель предела прочности для холоднокатаной ленты 0.5 мм составляет 260 МПа, показатель относительного удлинения - 4.9%. Полученные значения превышают по прочности и пластичности сплав 01417 (Al-7%РЗМ), который характеризуется прочностью 180-230 МПа и пластичностью 2.5-4.6%. Достигнутый уровень УЭС 43.3 нОм·м в сплаве Al-4 %Ca-2 %Mn является высоким по сравнению со сплавом 01417 (32-31 нОм·м). Отжиг в течение 10 часов снижает прочность до 160 МПа, но приводит к росту пластичности до 14.8%. Проведенный анализ изломов методом сканирующей электронной микроскопии подтвердил полученные результаты по пластичности.

 

Публикации

1. Н.О. Короткова, В.В. Дорошенко, А.И. Хабибулина, А.А. Аксенов СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВОВ Al-1,5% Mn И Al-1,5%Mn-0,5%Ca Tsvetnye Metally (Цветные металлы), - (год публикации - 2023)

2. Короткова Н.О. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ СПЛАВА Al-0.5% Mn С ДОБАВКОЙ КАЛЬЦИЯ "ПЕРСПЕКТИВНОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ. Сборник научных статей 12-ой Международной научно-практической конференции", Юго-Западный государственный университет, г. Курск, c.190-194 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.47581/2022/MTO-69/KOROTKOVA.01