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 22-79-00108
НазваниеРазработка новых составов алюминиевых сплавов и технологии бесслитковой прокатки-прессования прутков для изготовления проводниковой проволоки с повышенным уровнем термостойкости, механических свойств и электропроводимости
РуководительБеспалов Вадим Михайлович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет", Красноярский край
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 сплавы, цирконий, церий, поведение при деформации, прокатка, экструзия, бесслитковая прокатка-прессование, свойства при высокой температуре, микроструктура, термическая стабильность, жаропрочность, моделирование влияния температуры, интерметаллиды, временное сопротивление разрыву, электропроводность
Код ГРНТИ53.43.37, 53.45.31
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Развитие современной электротехники, автомобильной промышленности, транспортных систем и авиации приводит к постоянному росту спроса на катанку, прутки и проволоку из алюминиевых сплавов с повышенной удельной прочностью, термической стабильностью и электропроводностью, сохраняющихся после нагревов до 250 °С и выше.
Основная научная проблема организации производства продукции такого качества состоит в трудности достижения высокого уровня взаимообратных свойств, так как для увеличения термической стойкости и прочности при эксплуатации проводов необходимо одновременное легирование сплава и увеличение интенсивности деформации в процессе изготовления, что в обоих случаях приводит к существенному снижению электрической проводимости, в то время как двухступенчатый отжиг позволяет повысить электропроводность, однако при этом существенно снижается прочность. В тоже время известные сплавы, применяемые в аэрокосмической промышленности, в частности сплав 01417 с содержанием 7% редкоземельных металлов (РЗМ) обладает хорошим сочетанием прочности, термостойкости и удельного электрического сопротивления, тем не менее технология изготовления из него проволоки включает большое количества переделов, что повышает стоимость и ограничивает применение только производством самолетов тяжелой авиации типа Boeing, спутниковых систем и ракетостроением. Поэтому актуальной задачей является создание новых составов сплавов с пониженным содержанием дорогостоящих легирующих элементов и расширенным спектром применения, а также определение деформационных режимов их обработки.
Второй серьезной проблемой современного отечественного производства является нехватка производственных мощностей для изготовления алюминиевой катанки, являющейся заготовкой при волочении проволоки. Прежде всего это связанно с использованием литейно-прокатных агрегатов (ЛПА), введённых в эксплуатацию в 70-ых годах и не позволяющих обрабатывать новые высокопрочные сплавы, так как их конструкция изначально рассчитана на обработку более пластичных сплавов. В то время как производственные мощности отечественных предприятий составляют 300 тыс. тон в год и не используются в полной мере. Решение данной задачи требует существенной модернизации, проектирования и внедрения новых отечественных конструкций ЛПА, либо введения в производство высокоэффективных линий импортных компаний SouthWire и Continuus Properzi, что связано с большими капиталовложениями и потерями времени на модернизацию.
В качестве альтернативы описанным технологиям авторы заявки предлагают новую технологию бесслитковой прокатки-прессования (БПП), позволяющую объединить в одном технологическом цикле операции литья, прокатки и прессования, сократить количество переходов сортовой прокатки с 16-ти до 1-го (традиционная технология ЛПА) и обеспечить одновременный рост прочностных и пластических свойств за счет знакопеременной сдвиговой деформации в процессе обработки.
Исследование в рамках проекта предполагает разработку составов термостойких алюминиевых сплавов с сравнительно небольшим содержанием переходных и редкоземельных металлов за счет комплексного легирования цирконием, церием и железом, а также режимов совместной обработки методами бесслитковой прокатки-прессования (БПП), волочения и двухступенчатого отжига, обеспечивающих более стабильные эксплуатационные характеристики проволоки при нагреве до 300 °С, высокую производительность и меньшие энергетические затраты по сравнению с ЛПА.
Научная новизна предлагаемого технологического решения состоит: во-первых, в определении закономерностей влияния сдвиговой деформации в процессе бесслитковой прокатки-прессования (БПП) на структуру и свойства прутков, необходимых для обеспечения требуемого качества проводниковой проволоки при меньших энергетических затратах; во-вторых, разработке новых составов алюминиевых сплавов с содержанием 0,1-0,3% циркония, 0,3-3,3% церия и 0,2-1,5% железа для обеспечения более высокого уровня прочности и термостойкости по сравнению со стандартными электротехническими сплавами применяемыми в строительстве зданий, ЛЭП и городского транспорта; в-третьих, расширении спектра коммерческих сплавов системы Al-Cе необходимых для малой авиации, робототехники и транспортных систем; в-четвертых, обосновании параметров совместной деформационно-термической обработки методами волочения и двухступенчатого отжига после БПП для обеспечения труднодостижимого комплекса свойств проводниковой проволоки, отвечающего требованиям международных стандартов ASTM и IEC; в-пятых, получении проволоки с повышенным уровнем термостойкости и высокой электропроводностью за счет эффекта при введении в сплав церия в концентрации 0,3-0,5%.
Ожидаемые результаты
Исследование, разработка и внедрение на отечественных предприятиях комплексной технологии приготовления расплава, бесслитковой прокатки-прессования, волочения и двухступенчатого отжига проволоки из алюминиевых сплавов с повышенным уровнем прочности, пластичности, термостойкости и электропроводности обеспечит серьезные конкурентные преимущества по сравнению с импортными аналогами оборудования для производства проводниковой продукции и является одной из приоритетных задач в условиях современной экономической обстановки в мире.
В рамках проекта будут разработаны новые составы термостойких проводниковых алюминиевых сплавов с пониженным содержанием переходных (ПМ) и редкоземельных металлов (РЗМ) за счет комплексного легирования цирконием, церием и железом, обеспечивающих стабильные эксплуатационные характеристики проволоки при нагреве до 300 °С. Проведены исследования влияния сдвиговой знакопеременной деформации в процессе бесслитковой прокатки-прессования (БПП) на структуру и свойства длинномерных прутков, определены температурно-скоростные и деформационные параметры обработки для достижения наилучшего сочетания прочности (130-170 МПа) и пластичности (15-20%) на прутках в сравнении с традиционными электротехническими сплавами, обеспечивающими 100-120 МПа. Исследовано влияние степени деформации на структуру и свойства катанки, полученной традиционной сортовой прокаткой с поперечным сечением, соответствующим сечению прутков после БПП для сравнения результатов. Определены режимы совместной деформационно-термической обработки прутков методом волочения и двухступенчатого отжига для обеспечения удельного электросопротивления на уровне 0,0287-0,0313 Ом*мм2/м, временного сопротивления разрыву 150-250 МПа и относительного удлинения 1-2% для проволоки. Определен уровень термической стабильности проволоки, полученной по различным режимам деформационной и термической обработки, а именно: закономерность изменения термостойкости в зависимости от момента введения промежуточного двухступенчатого отжига проволоки и разного уровня ее нагартовки после волочения. На основании проведенных экспериментальных исследований по получению прутков и проволоки рекомендованы для промышленного внедрения новые составы сплавов с содержанием циркония, церия и железа, отвечающие требованиям стандартов ASTM B941-16 и IEC 62004-07. Опубликовано не менее 2 публикаций (Scopous Q2 и Q1) в журнале Scopus по результатам исследования за два года.
Возможность практического использования ожидаемых результатов проекта в экономике и социальной сфере подкрепляется наличием спроектированных и изготовленных лабораторных установок совмещенной обработки СПП-200 и опытно промышленной установки СЛиПП-2,5, защищенные патентами РФ. В рамках предыдущих научных и опытно конструкторских работ на ОАО «ИркАЗ» внедрена установка совмещенного литья и прокатки-прессования СЛиПП-4, работающая в настоящий момент по технологии совмещенной прокатки-прессования (СПП) литой заготовки. На ООО «Завод современных материалов» в г. Устюг запущена опытно-промышленная установка СПП-400. Наличие перечисленного оборудования позволит провести опытно-промышленные испытания предлагаемых технологий бесслитковой прокатки-прессования (БПП), волочения и двухступенчатого отжига.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
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.
Публикации
1. Беспалов В.М., Ворошилов Д.С., Бернгардт В.А., Сидельников С.Б., Лежнев С.Н., Мотков М.М., Бермешев Т.В., Дурнопьянов А.В., Беспалова Д.Д., Дурнопьянова А.С. Influence of Stepped Annealing on the Properties of Conductor Wire After Ingotless Rolling-Extrusion and Drawing of Aluminum Alloys Containing Zr, Ce, La and Fe Journal of Chemical Technology and Metallurgy, - (год публикации - 2023)
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
Публикации
1. - Ученые СФУ улучшили качество проволоки для авиации и автомобилестроения Электронное периодическое издание «Научная Россия», Информационное агентство "Научная Россия" / Свидетельство о регистрации СМИ ИА № ФС77-62580 / г. Москва / дата публикации - 01.11.2023 (год публикации - )
2. - Российские учёные улучшили качество проволоки для авиации и автомобилестроения Пресс-служба СФУ, Пресс-служба СФУ / дата публикации - 03.11.2023 г. (год публикации - )
3. Беспалов В.М., Ворошилов Д.С., Бернгардт В.А., Сидельников С.Б., Константинов И.Л., Дурнопьянов А.В., Байковский Ю.В., Мотков М.М., Бермешев Т.В., Беспалова Д.Д., Ворошилова М.В., Мансуров Ю.Н. Infuence of the Parameters of Combined Processing and Drawing on the Structure and Properties of Conductor Semi fnished Products From Aluminum Alloys with Additives of Rare Earth and Transition Metals Metals and Materials International, 2024 Vol. 30. рр. 773–799 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s12540-023-01526-3
Возможность практического использования результатов
Предложенные составы алюминиевых сплавов с отдельным и комбинированным содержанием переходных металлов (Zr, Ce, La, Hf, Y, Yb, Er), Fe и совмещенная деформационно-термическая обработка методами бесслитковой прокатки-прессования (БПП), волочения и ступенчатого отжига позволят производить на отечественных предприятиях проводниковою проволоку с комплексом свойств удовлетворяющим международным стандартам ASTM B941‐16 и IEC 62004‐07. Новая технология БПП обеспечит производство прутковой заготовки для волочения проволоки с более высоким уровнем, термостойкости, прочности, пластичности и электропроводности при в 6 раз меньших энергетических затратах по сравнению с традиционной технологией совмещенного литья-прокатки на линиях «Properzi» и «Southwire».
В рамках проекта создан существенный научный задел о влиянии комплексного содержания переходных металлов, интенсивной сдвиговой знакопеременной деформации в процессе БПП, степени деформации холодного волочения и режимов ступенчатого отжига на уровень термостойкости, электропроводности и механические свойства алюминиевых сплавов, что необходимо для многокритериальной оптимизации технологических параметров изготовления проводниковой проволоки со стабильным уровнем физико-механических свойств после длительного нагрева при температуре выше 300°С.
В условиях сложившейся геополитической обстановки в мире и постоянного роста цен на импортные деформированные полуфабрикаты создание дополнительных менее энергоемких технологических линий глубокой переработки алюминиевых сплавов позволит наладить высокопроизводительное производство прутков и проводниковой проволоки для производства импортозамещающей продукции электротехнического назначения в области современной электротехники, строительства зданий, сооружений, систем городского транспорта, авиации, робототехники и др.