Ученые исследовали технологию, которая сможет удешевить производство высокопрочных материалов для авиастроения

Ученые придумали, как получить сплав с уникальной прочностью и при этом сделать его производство низкозатратным. Для этого они разработали технологию литья в электромагнитное поле, которая позволяет получить слитки из экспериментального алюминиевого сплава с цинком и магнием. Разработка зарегистрирована под торговой маркой «Elmacast»^TM. Такой сплав может использоваться, например, для авиастроения. Новая технология значительно упростит и удешевит производство нужных слитков.

Над научным проектом работали специалисты Сибирского федерального университета (СФУ) совместно с коллегами из Университета науки и технологий МИСИС. Ученые СФУ отвечали за построение технологии и ее теоретическое описание, а в МИСИС выполняли часть, связанную с фазовым анализом слитков и исследованием механических характеристик изделий.

Алюминий занимает первое место по объему производства и потребления среди всех цветных металлов. Однако уникальную продукцию из алюминия невозможно получить традиционными способами литья – когда сплавы разливают по формам. Поэтому нужно придумывать новые, эффективные и недорогие способы.

«С алюминием есть проблема, связанная с необходимостью значительного повышения прочностных свойств продукции из алюминиевых сплавов – это критически важно для таких областей как авиастроение, строительство и технологии аддитивного производства. Подходящими характеристиками обладают сплавы на базе системы Al-Zn-Mg-Cu, дополнительно легированные добавками никеля, кобальта и железа», –  рассказал соавтор исследования, ученый Политехнического института СФУ Эдуард Винтер.

Как отмечают специалисты, продукцию из этих сплавов невозможно получить традиционными методами литья. Приходится прибегать к методам порошковой металлургии, которые хоть и обеспечивают уникальные характеристики продукции, однако сопряжены с дороговизной, высокими требованиями безопасности, сложностями организации технологической цепочки и малой производительностью.

Проведя численное моделирование, ученые определили набор технических и технологических параметров литейного оборудования, которые требуется для изготовления литых заготовок нужного качества. В ходе дальнейшего эксперимента они получили алюминиевые слитки из сплавов с высокими прочностными характеристиками.

Технология литья в электромагнитное поле (ЭМК), изученная учеными совместно с экспертами предприятия «НПЦ Магнитной гидродинамики» (г. Красноярск), обеспечивает скорости охлаждения литой заготовки, сопоставимые со скоростями при технологиях порошковой металлургии. Это позволяет получить литую продукцию из сложных многокомпонентных алюминиевых сплавов. В то же время, по сравнению с методами порошковой металлургии, новая технология довольствуется упрощенной компоновкой оборудования, она дешевле и гораздо более продуктивна.

По словам исследователей, процесс литья в электромагнитное поле задействует такие явления как электромагнетизм, тепломассоперенос, явления фазового перехода металла (кристаллизация) и динамику межфазной границы «левитирующего» расплава с открытой воздушной средой. Сочетание этих факторов значительно усложняет теоретическое описание процесса и требует применения методов и средств многодисциплинарного численного анализа.

«Одной из наиболее сложных задач, стоящих перед нами при развитии данной технологии и создании ее теоретических основ, было установить и количественно охарактеризовать эти взаимосвязи. Понимание, как сосуществуют между собой электромагнитные, тепловые и гидродинамические поля, а также как формируются микроструктуры внутри слитков, позволило стабилизировать литье в полувзвешенном состоянии и создать полноценный высокотехнологичный промышленный комплекс, обеспечивающий современную потребность производственной сферы в высоколегированных сплавах с повышенными физико-механическими свойствами», –  отметил профессор кафедры электротехники Политехнического института СФУ Максим Хацаюк.

Также ученые определили набор технических и технологических параметров литейного оборудования, при которых можно получить литые заготовки из экспериментальных сплавов группы Al (алюминий)-Zn (Цинк)-Mg (Магний)-Cu(Медь). Такие заготовки отличаются мелкодисперсной микроструктурой, имеющую чрезвычайно размельченное зерно размером не более 5-15 мкм, при этом частицы железосодержащих фаз имеют очень малый размер, и это открывает широкие возможности для дальнейшей обработки заготовок. Например, можно получать из них тонкостенные профили или ультратонкую проволоку.

Полученные литые заготовки были подвергнуты термической и механической обработке. В результате ученые установили, что в процессе деформации получается структура, характерная для композитных материалов: в алюминии равномерно распределяются микрочастицы легирующих элементов. Такая структура позволяет добиться высоких показателей физико-механических характеристик, которые недостижимы для продукции из серийных сплавов, получаемых традиционными методами.

Сочетание высокой твердости и деформационной пластичности новых заготовок – это гарантия высоких механических свойств и свидетельство перспективности изученной технологии ЭМК в отношении экспериментальных сплавов.

Научная статья ученых опубликована в одном из ведущих международных журналов.

Исследование выполнено на средства гранта Российского научного фонда (проект № 22-19-00128 «Эволюция структуры высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca), получаемых с использованием технологии электромагнитного литья»).