Обоснование составов высокотехнологичных деформируемых сплавов на основе алюминий-кальциевой эвтектики

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 проекта 25-79-00073

НазваниеОбоснование составов высокотехнологичных деформируемых сплавов на основе алюминий-кальциевой эвтектики

Руководитель Дорошенко Виталий Владимирович, Кандидат технических наук

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

Конкурс №110 - Конкурс 2025 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»

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

Ключевые слова Алюминий, кальций, магний, марганец, цинк, матричное упрочнение, эвтектика, литье, прокатка, микроструктура, прочность, ИПД

Код ГРНТИ53.49.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В различных отраслях промышленности, от авиационно-космической до транспортной и строительной, алюминиевые сплавы все активнее используются вместо сталей, чугунов и медных сплавов. Этому способствует оптимальное сочетание легкости, прочности, технологичности и разумной цены, что делает их привлекательным конструкционным материалом. Согласно современным представлениям о материалах, наилучшие механические и эксплуатационные свойства демонстрируют сплавы со структурой, аналогичной композиционному материалу, состоящему из пластичной матрицы и равномерно распределенных дисперсных твердых частиц при их объемном содержании до 30%. Подобный тип структуры может быть получен с использованием современных технологий, таких как механическое легирование, порошковая и гранульная металлургия, а также селективное лазерное спекание. Однако эти методы недостаточно оптимизированы и требуют значительных финансовых затрат. Поэтому важно также сосредоточиться на разработке сплавов с гетерогенной структурой, используя более простые технологические подходы. В рамках данного подхода представляется перспективным конструирование сплавов на основе системы алюминий-кальций. Кальций является распространенным, экологически чистым щелочноземельным металлом, который вместе с алюминием образует систему эвтектического типа. При этом, его растворимость в алюминии чрезвычайно мала. Согласно многочисленным исследованиям, литейные и деформируемые сплавы на основе Al-Ca обладают тонкой эвтектической структурой и хорошим сочетанием механических свойств и технологичности. Решаемой проблемой в рамках данного проекта будет являться повышение механических свойств сплавов, создаваемых на основе системы алюминий-кальций. Двойная эвтектика Al+Al4Ca при одинаковой объемной доле обладает более низкими показателями твердости в сравнении с эвтектиками типа Al+(Si), Al+Al3Ni, Al+Al4Ce, Al+Al4La и, как следствие, сниженными показателями прочности сплавов. Но в то же время преимуществами алюминий-кальциевых сплавов является низкая плотность (плотность кальция 1,55 г/см3), хорошая коррозионная стойкость, относительная дешевизна кальция в сравнении с никелем, лантаном или церием, высокая технологичность при литье и обработке давлением. В качестве решения предлагается легирование алюминиевой матрицы растворимыми в ней элементами. Среди них можно выделить магний, цинк и марганец, поскольку они являются доступными и не снижают общую коррозионную стойкость. Магний является эффективным упрочнителем без необходимости использования термической обработки и практически не образует соединений с кальцием. Добавка марганца также способствует твердорастворному упрочнению, и, согласно актуальным исследованиям, даже приводит к образованию наноразмерных вторичных выделений, положительно влияющих на процесс рекристаллизации, замедляя его. Медь, наряду с магнием, является чрезвычайно эффективным упрочнителем. Однако ее присутствие будет приводить к ухудшению коррозионной стойкости. Поэтому, в рамках данного проекта, она может рассматриваться как примесь. В меньшей степени упрочнению способствует цинк, который, тем не менее, растворяясь в фазе Al4Ca, повышает ее твердость и модуль упругости, что в целом улучшает механические свойства сплава. Ряд переходных металлов, от скандия до иттербия, на сегодняшний день находит отклик у широкого круга ученых за счет их роли в упрочнении в результате проведения кратковременного отжига. Однако, их использование сопряжено со значительным ростом стоимости продукции, что сильно ограничивает их применимость. Таким образом, в рамках данного проекта для создания новых деформируемых сплавов предлагается изучить составы, содержащие до 6 масс.% кальция, до 2 масс.% магния, до 1 масс.% марганца, до 2 масс.% цинка. Рассматриваемые составы разрабатываемых сплавов будут преимущественно эвтектического типа, а структура сплавов будет представлена небольшим количеством дендритов алюминия, окруженных дисперсной эвтектикой [(Al)+Al4Ca+Al6Mn/Al10CaMn2].

Ожидаемые результаты
В рамках данного проекта работу планируется разделить на несколько этапов, которые бы включали в себя: изучение фазовых диаграмм, изучение литейных свойств, изучение технологичности при прокатке. В ходе реализации каждого из этапов работы будут получены следующие ожидаемые результаты: • Расчетными и практическими методами будут подробно изучены фазовый состав и структура ранее не исследованных сплавов на основе четырехкомпонентной системы Al-Ca-Mg-Mn-Zn в области алюминиевого угла. Будут установлены критические точки и изучены фазовые превращения в процессе кристаллизации, а также при температурах термической и деформационной обработок. В этой части работ важно установить тип и характер эвтектических кристаллов Al4Ca и марганец-содержащих фаз, определить границы фазовых областей. Кроме того, важно определить возможность протекания реакций, приводящих к формированию соединения с предполагаемой формулой Al2(Mg,Ca) в исследуемой области составов. • Дополнительно будет определено влияние добавки магния на основные литейные свойства сплавов на основе Al-Ca. Поскольку считается, что наиболее важным параметром является стойкость к образованию горячих трещин, то критерий горячеломкости будет определяющим. Оценивать его планируется по «карандашной» пробе. • Будет рассмотрена технологичность сплавов при деформационной обработке с применением технологий горячей и холодной прокатки. Требуется обосновать режимы термической обработки с целью обеспечения оптимальной структуры (фрагментация и сфероидизация интерметаллидов). В ходе выполненных исследований было определено, что сплавы с кальцием отлично деформируются, в т.ч. методами интенсивной пластической деформацией (ИПД), такими, как радиально-сдвиговая прокатка (РСП) и кручение под высоким давлением (КВД). Исследования были выполнены на широком диапазоне концентраций легирующих элементов, но они не включали в себя сплавы с составами, обозначенными в данном проекте. Отдельно стоит отметить, что в некоторых случаях сплавы с кальцием не требуют предварительной термической обработки, что сокращает технологический цикл. В результате данного этапа работ по проекту будут установлены закономерности влияния фазового состава и микроструктуры на физико-механические свойства изучаемых сплавов. • Отдельно будет изучено влияние режимов термической обработки на образование вторичных упрочняющих марганецсодержащих фаз. Данное направление работ представляет интерес с точки зрения получения дополнительного упрочнения, а также повышения термической стойкости разрабатываемых сплавов. Согласно актуальным исследованиям, достижение значимого эффекта возможно при длительном ступенчатом отжиге и содержании марганца не менее 0,6 масс.%. При этом важно выявить возможность эффективного применения представленных температурных режимов в контексте фазового состава сплавов. Как было определено в ходе предыдущих работ, дисперсоиды фазы Al10CaMn2 крупнее и с меньшей плотностью распределения в матрице, чем Al6Mn, что определяет их влияние на озвученные выше параметры. Таким образом, будет проведен анализ режимов термической обработки и выявлены характеристики образуемых дисперсоидов и их влияние на механические свойства сплавов. Запланированные результаты и предложенные методы их достижения в предлагаемом проекте соответствуют мировому уровню исследований в данной области, о чем свидетельствуют многочисленные научные статьи исследователей из США, стран Европы, Китая, Южной Кореи, Индии и РФ в высокорейтинговых изданиях, а также многочисленные изобретения. В первую очередь рассматривается возможность использования разрабатываемых сплавов в качестве замены стандартным сплавам в высокотехнологичных отраслях промышленности. Достижение запланированных результатов позволит расширить сортамент производства изделий из алюминиевых сплавов, что приведет к увеличению потребления алюминия, в том числе в высокотехнологичных отраслях экономики. Результаты работы будут в первую очередь востребованы в авиа- и двигателестроении (АО «ОДК» и «ОАК»), в автомобильной промышленности (АвтоВАЗ, КАМАЗ, Группа ГАЗ, Соллерс, ЗИЛ и т.д.) и судостроении (АО «ПО „Северное машиностроительное предприятие“», ОАО «Зеленодольский завод имени А. М. Горького», ОАО «Средне-Невский судостроительный завод» и т.д.) и т.д. Потенциальными производителями новых сплавов могут быть заводы ОК РУСАЛ и другие предприятия алюминиевой отрасли: Завод алюминиевых сплавов (г. Подольск), Реалит (г. Обнинск), Агрисовгаз (г. Малоярославец) и др.