Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Для достижения эксплуатационных свойств проводниковой проволоки стабильных после нагрева 180-300°С рекомендованы сплавы Al-0.3Zr-0.2Fe [1], Al-0.2Zr-0.5Fe [2], Al-0.2Zr-1.0Fe [3], Al-0.2Zr-0.5Ce-0.2Fe [4] и Al-0.1Zr-0.6Ce-0.7Fe [5] 2. Анализ микроструктуры и механических свойств литых проб сплавов [1-5] показал, что для получения твердого раствора Al без образования первичных интерметаллидных фаз Al3Zr с равномерным распределением фаз Al4(Ce, La), Al(Ce, La)Fe и AlFeSi необходимо перегревать расплав до 820-850°С перед заливкой. Временное сопротивление разрыву сплавов [1], [4] в литом состоянии составляет 60-70 МПа, а повышение содержания железа до 0.5-1% в сплавах [2], [3], [5] увеличивает прочность до 90-110 МПа. 3. Для достижения полного усвоения лигатуры, стабильной деформации и достаточного уровня упрочнения прутков в процессе БПП целесообразно осуществлять заливку расплава в калибр валков при температурах 820-850°С, подогреве валков 100°С, температуре матрицы 25°С, частоте вращения валков 0.42 рад/с, относительном обжатии в зоне прокатки 50% и коэффициенте вытяжки в зоне прессования 4.4-14.3. 4. Бесслитковая прокатка-прессование (БПП) сплава [1] с коэффициентом вытяжки 4.4-14.3 позволяет изготовить прутки с временным сопротивлением разрыву 130-140 МПа, относительным удлинением 30-25% и электросопротивлением 0.0328-0.0330 Ом∙мм2/м при сокращении количества технологических операции до 3 в сравнении с традиционной технологией непрерывного литья и сортовой прокатки катанки (ЛПА), включающей 20 операций и обеспечивающей сопоставимый уровень прочности 125-140 МПа, электросопротивления 0.0310-0.0330 Ом∙мм2/м, но меньшую пластичность 12-20%. Упрочнение после БПП с меньшей в 6 раз вытяжкой по сравнению с ЛПА обусловлено возникновением дополнительной сдвиговой знакопеременной деформации и неравномерного всестороннего сжатия в зоне распрессовки и прессования. 5. Проводниковая проволока из сплава [1], изготовленная методами БПП с вытяжкой 14.3, ступенчатого отжига 350°С, 40 ч. - 450°С, 20 ч. и волочения с относительным обжатием 96%, имеет прочность 180 МПа, удельное электрическое сопротивление 0.0291 Ом∙мм2/м и относительное удлинение 3%. Электропроводность сплава повышается после отжига из-за распада твердого раствора Al с Zr и выведения наноразмерных фаз Al3Zr, причем чем выше коэффициент вытяжки БПП, тем равномернее распределение фаз Al3Zr, выше термостойкость и меньше электросопротивление. Комплекс свойств проволоки после такого режима совмещенной обработки соответствует типу АТ3 по международной классификации. 6. Микроструктура проволоки из сплава [1] состоит из более мелких и раздробленных частиц избыточных фаз AlFeSi и кристаллов Al3Zr по сравнению с прутками, обработанными методом БПП. В деформированном состоянии проволока имеет волокнистое строение и частично рекристаллизованные зерна после ступенчатого отжига 350°С, 40 ч. - 450°С, 20 ч, при этом повышение коэффициента вытяжки БПП приводит к меньшей степени рекристаллизации и размеру зерна в структуре отожжённой проволоки. 7. Повышение Fe в сплаве [2] до 0.5% при уменьшенном до 0.2% содержании Zr, БПП с вытяжкой 14.3 и обжатие волочением 96% обеспечивают уровень временного сопротивления разрыву проволоки 224 МПа, электрическое сопротивление 0.0336 Ом∙мм2/м и относительное удлинение 2.5%, а ступенчатый отжиг 350°С, 40 ч. - 450°С, 20 ч. после волочения с обжатием 48% и повторное обжатие 96% позволяет снизить электросопротивление проволоки до 0.0291 Ом∙мм2/м при достижении уровня прочности 172-176 МПа и относительного удлинения 1.5-2.5%, что также удовлетворяет требованиям проволоки типа АТ3. 8. Проволока из сплава [5] с 0.6% Ce, 0.7% Fe и пониженным до 0.1% содержанием Zr имеет прочность 174 МПа, относительное удлинение 1.5% и электросопротивление 0.0294 Ом∙мм2/м после БПП с вытяжкой 14.3, обжатия волочением 48%, ступенчатого отжига 350°С, 40 ч. - 450°С, 20 ч. и повторного обжатия 96%. Поскольку лигатура Al-Zr в 4-6 раз дороже, чем Al-Ce и Al-Fe целесообразно замещение части Zr в сплавах [1], [2] добавками Ce и Fe. 9. Повышение содержания Fe в сплаве [3] до 1% при содержании 0.2% циркония, вытяжка 14.3 при БПП и обжатие волочением 96% обеспечивают прочность проволоки 260 МПа, электрическое сопротивление 0.0328 Ом∙мм2/м и относительное удлинение 1.5%. Комплекс свойств проволоки данного сплава близок к типу АТ2 по международной классификации. На следующем этапе будут подробнее исследованы режимы обработки данного сплава для достижения требуемого уровня термостойкости и электропроводности. 10. Определены реологические свойства сплава [4], температурно-скоростные, деформационные параметры при обработки его методом БПП с температурой заливки 850°С, вытяжкой 14.3 и частотой вращения валков 0.42 рад/с в программе Deform 3D. Изменение температуры металла в зоне обжатия при прокатке уменьшается с 620ºС до 285ºС из-за контакта с валками, затем в зоне прессования при выдавливании прутка через матрицу растет до 350ºС за счет деформационного разогрева. Скорость перемещения металла в зоне прокатки составляет 69 мм/с, в зоне распрессовки снижается до 20 мм/с и в зоне выдавливания возрастает до 240 мм/с Скорость деформации изменяется в пределах от 1 до 2 1/с в зоне прокатки и растет до 25 1/с в зоне выдавливания прутка. Интенсивность напряжений в зоне захвата металла валками составляет 69 МПа, в зоне распрессовки и прессования растет до 113 МПа, временное сопротивление разрыву прутков после охлаждения составляет 136 МПа. 11. Исследовано течение металла в момент сдвига при БПП сплава [4] методом построения сетки Лагранжа в Deform 3D и металлографического анализа структуры пресс-остатков. Течение металла в пластической зоне прессования с вытяжкой 14.3 и частотой вращения валков 0.42 рад/с характеризуется наличием, слоев неравномерной сдвиговой деформации, менее выраженной в близи к оси прессования и более существенной в периферийных слоях течения металла на контактной поверхности с валками, зоны затрудненного течения металла на контакте с зеркалом матрицы. Результаты расчета сетки в Deform 3D хорошо согласуются с изображением структуры зерна пресс-остатков в продольном сечении, выявленной оксидированием в реактиве Баркера, что позволяет использовать компьютерную модель для прогнозирования течения сплавов с аналогичным составом. 12. Временное сопротивление разрыву прутков из сплава [4] после БПП с вытяжкой 14.3 составляет 136 МПа, относительное удлинение 29%, удельное электрическое сопротивление 0.0330 Ом∙мм2/м. Волочение прутка с обжатием 19% и ступенчатый отжиг 300°С - 400°С - 450°С, 50 ч. снижают электросопротивление до 0.0283 Ом∙мм2/м при уровне прочности 120 МПа и относительного удлинения 17%. Сплав демонстрирует хороший уровень свойств после деформации БПП и промежуточного отжига проволоки, поэтому оценка влияния повторного холодного волочения будет дополнительно исследована на следующем этапе.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Для достижения свойств проводниковой проволоки стабильных после длительного нагрева 180-300°С рекомендованы сплавы Al-1.30(Fe-Ce-La-Zr) [1], Al-2.40(Fe-Ce-La-Zr) [2], Al-0.29(Fe)-1.20(Hf-Zr-Ce-La) [3], Al-1.00(Fe-Hf-Zr) [4], Al-1.00(Fe-Zr) [5], Al-1.20(Fe-Сe-La-Zr) [6], Al-1.40(Fe-Zr) [7], Al-0.60(Fe-Y) [8], Al-0.60(Fe-Yb) [9], Al-0.60(Fe-Er) [10]. 2. Изготовлены литые пробы и опытные партии катанки методом холодной сортовой прокатки (ХСП) сплавов [1] – [5], а также проволоки методами бесслитковой прокатки-прессования (БПП), волочения и ступенчатого отжига сплавов [6] – [10]. Определен химический и фазовый состав литых проб, исследована структура строения зерна и изменение свойств сплавов после литья, деформации и отжига 300-450°C, 50 ч. 3. Для сплавов [1] – [5] рассчитаны рациональные параметры процесса ХСП на сортовом прокатном стане AMBIFILO VELOCE ROSEN 180 с температурой литья слитков – 840-850ºС, валков и заготовки – 25ºС; скоростью прокатки – 12.5 м/мин; количеством проходов – 14; относительным обжатием – 93%; коэффициентом вытяжки – 14.3. 4. На основе данных по пределу текучести сплавов [6] – [10] и компьютерной модели в Deform 3D определены рациональные параметры изготовления прутков методом БПП: диаметр валка с выступом – 214 мм, с ручьем калибра – 165 мм; ширина калибра валка с ручьем – 15 мм; высота кристаллизованной заготовки перед прокаткой – 38 мм; минимальная высота в зоне прокатки – 7 мм; высота зеркала матрицы – 20 мм; диаметр прутка – 5 мм; температура заливки расплава в калибр валков – 840–850ºС, подогрева валков – 150ºС; частота вращения валков – 4 об/мин; обжатие в зоне прокатки – 50%; вытяжка в зоне прессования – 14.3. 5. Предложены рациональные технологические схемы совмещенной деформационно-термической обработки сплавов для обеспечения хорошего сочетания термостойкости, механических свойств и электропроводности: 5.1. Для сплавов [1] – [5] схема [Т1]: ХСП с обжатием 93% → ступенчатый отжиг 300, 400, 450°С, 50 ч. → волочение. 5.2. Для сплавов [6], [7] схема [Т2]: БПП с вытяжкой 14.3 → волочение с обжатием 10–20% → ступенчатый отжиг 300, 400, 450°С, 50–80 ч. → волочение проволоки с обжатием 94–97%. 5.2. Для сплавов [8] – [10] схема [Т3]: БПП с вытяжкой 14.3 → волочение. 6. Схема обработки [Т1] сплавов [1], [2] обеспечивает прочность катанки 105-135 МПа, относительное удлинение 27-23% и электросопротивление 0.0288-0.0297 Ом‧мм2/м. Остаточное напряжение после нагрева 450°C, 10 ч. – 56 и 69%. В деформированном состоянии без отжига прочность катанки 189-194 МПа при относительном удлинении 1.9-2.3% и электросопротивлении 0.0340 Ом‧мм2/м. Структура сплавов [1] и [2] в литом состоянии состоит из дендритов пересыщенного Zr твердого раствора и эвтектических интерметаллидных многокомпонентных фаз Al(Ce,La)FeSi по границам дендритных ячеек. В сплаве [2] с более высоким содержанием Fe, Ce, La, Zr объемная доля интерметаллидных фаз выше (⁓7,8 %) по сравнению со сплавом [1] (⁓6,1 %). После ХСП сплавов интерметаллидные фазы Al(Ce,La)FeSi раздроблены и вытянуты в направлении деформации. В поляризованном свете структура тонковолокнистая. После ХСП и отжига сплава [1] структура частично рекристаллизована, но ориентированность зерен в направлении деформаций сохраняется. В катанке из сплава [2] структура зерна практически не изменяется, что говорит о высокой термостойкости. 7. Схема обработки [Т1] сплавов [3], [4] обеспечивает прочность катанки 123-153 МПа, относительное удлинение 20-15% и электросопротивление 0.0295-0.0290 Ом‧мм2/м. Остаточное напряжение после нагрева 450°C, 10 ч. – 76-96%. В деформированном состоянии без отжига прочность 162-163 МПа при относительном удлинении 5.3-2.4% и электросопротивлении 0.0341-0.0358 Ом‧мм2/м. Структура сплава [3] представляет собой пересыщенный Zr твердый раствор и эвтектические многокомпонентные фазы Al(Ce,La)FeSi по границам дендритных ячеек (объемная доля 2,1 %), а также первичные кристаллы Al3(Zr, Hf) размером до 10 мкм. Структура сплава [4] в литом состоянии состоит из пересыщенного Zr и Hf твердого раствора, эвтектических фаз AlFeSi (объемная доля 2,9 %) по границам зерен и дендритных ячеек, а также первичных кристаллов Al3(Zr, Hf) размером до 70 мкм. После ХСП сплавов [3], [4] избыточные интерметаллидные фазы раздроблены, вытянуты в направлении прокатки и равномерно распределены по сечению. В поляризованном свете микроструктура сплавов тонковолокнистая. После ХСП и отжига структура практически не изменяется, сохраняется волокнистое строение с единичными рекристаллизованными зернами, что говорит о высокой термостойкости сплавов. Термостойкость достигается за счет выделения из твердого раствора метастабильных нанодисперсных вторичных фаз Al3(Zr,Hf), а в сплаве [3] термостойкость дополнительно повышается за счет эвтектических фаз Al(Ce,La)FeSi. 8. Схема обработки [Т1] сплава [5] обеспечивает прочность катанки 134 МПа, относительное удлинение 16.5% и электросопротивление 0.0282 Ом‧мм2/м. Остаточное напряжение после нагрева 450°C, 10 ч. – 76%. В деформированном состоянии без отжига прочность 176 МПа при относительном удлинении 4.5% и электросопротивлении 0.0366 Ом‧мм2/м. Структура сплава [5] в литом состоянии состоит из пересыщенного Zr твердого раствора и расположенных по границам дендритных ячеек фаз AlFeSi (объемная составляет 3,1%). В микроструктуре присутствуют первичные кристаллы Al3Zr размером до 80 мкм. После ХСП интерметаллидные фазы раздроблены и вытянуты в направлении прокатки. В поляризованном свете микроструктура тонковолокнистая. После ХСП и отжига тонковолокнистая структура сохраняется. Высокая термостойкость достигается благодаря метастабильным нанодисперсным вторичным фазам Al3Zr. 9. Схема обработки [Т2] сплавов [6], [7] обеспечивает прочность проволоки 175-200 МПа, относительное удлинение 7.8-2.4% и электросопротивление 0.0294-0.0304 Ом‧мм2/м. Остаточное напряжение в после нагрева 450°C, 10 ч. – 86-78%. Структура сплава [6] в литом состоянии представляет собой твердый раствор и эвтектические фазы Al4(Се, La), Al(Се, La)Fe, AlFeSi по границам дендритных ячеек. Структура сплава [7] в литом состоянии состоит из пересыщенного цирконием твердого раствора и эвтектических фаз Al8Fe2Si и Al3Fe, расположенных по границам зерен и дендритных ячеек. После БПП эвтектические фазы в структуре прутков раздроблены и вытянуты в направлении деформации. В поляризованном свете структура прутков имеет волокнистое строение. После БПП, волочения и отжига сплавы имеют деформированное не рекритсллизованное строение, что говорит о высокой термостойкости. Термостойкость достигается за счет выделения метастабильных нанодисперсных фаз Al3Zr. Повышению термостойкости в сплаве [6] также способствует высокая объемная доля эвтектических фаз Al4(Се, La) и Al(Се, La)Fe, а в сплаве [7] за счет высокого содержания Fe достигается улучшенное сочетание механических свойств. 10. Схема обработки [Т3] сплавов [8] – [10] обеспечивает прочность прутков 123-125 МПа, относительное удлинение 22-30% и электросопротивление 0.0277-0.0278 Ом‧мм2/м. Волочение прутков позволяет повысить прочность до значений стандартов при отличной электропроводности. Структура литых слитков из сплавов [8] – [10] практически идентичная, состоит из алюминиевого твердого раствора и расположенных по границам дендритных ячеек многокомпонентных фаз состава AlYFeSi [8], AlYbFeSi [9] и AlErFeSi [10] (объемная доля ~ 1,5 %). После БПП эвтектические фазы раздроблены и равномерно распределены по сечению прутков. В поляризованном свете микроструктура тонковолокнистая. После БПП, волочения и отжига наблюдается полностью рекристаллизованная, мелкозернистая структура, что свидетельствует о не высокой термостойкости, по сравнению комплексными добавками Zr, Hf, Ce, La и Fe в Al, однако прутки имеют повышенный уровень электропроводности. Для повышения термической стабильности данных сплавов рекомендовано дополнительно вводить в сплав 0.15-0.20% Zr. Результаты исследования опубликованы на сайте «Научная Россия» https://scientificrussia.ru/articles/ucenye-sfu-ulucsili-kacestvo-provoloki-dla-aviacii-i-avtomobilestroenia и сайте ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» https://news.sfu-kras.ru/node/28229