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 20-79-10133
НазваниеРазработка и исследование перспективных проводниковых материалов на основе алюминия для использования в передовых транспортных системах
Руководитель Медведев Андрей Евгеньевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан
Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» 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 слова Алюминиевые сплавы, новые материалы, электродвигатель, транспортные системы, проводниковые материалы, механизмы упрочнения, интенсивная пластическая деформация, прочность, усталость, электропроводность, термостойкость
Код ГРНТИ81.09.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Алюминиевые сплавы системы Al-Fe, благодаря сочетанию малого веса, хорошей электропроводности и пластичности, а также высокой стойкости к атмосферной коррозии, нашли широкое применение как в РФ, так и за рубежом в качестве проводниковых материалов бытовых электросетей жилых и производственных помещений, постепенно вытесняя более дорогие проводниковые материалы на основе меди.
Еще одной из перспективных областей применения проводниковых сплавов системы Al-Fe являются транспортные системы (автомобили с гибридными и электрическими силовыми установками, летательные аппараты различного назначения и т.п.), где замена медных проводников позволит улучшить весовые характеристики, повышая тем самым их энергетическую, экологическую и, соответственно, экономическую эффективность. Кроме того, новые проводниковые материалы на основе алюминия могут послужить заменой алюминиевым сплавам системы Al-Mg-Si, которые в настоящее время используются в качестве материала для линий электропередач. Их основным преимуществом перед термически упрочняемыми сплавами является более высокая пластичность и электропроводность. Главной причиной, тормозящей расширение областей использования сплавов системы Al-Fe, является их сравнительно невысокая прочность, которая после традиционной упрочняющей обработки достигает около 160 МПа.
Обычно для нивелирования этого недостатка используется целенаправленное изменение химического состава проводникового сплава - легирование. Однако, увеличение содержания легирующих элементов или добавление новых, повышая прочность алюминиевых проводников, зачастую не позволяет сохранить приемлемый уровень электропроводности. Это связано с тем, что добавление в алюминий легирующих элементов искажает кристаллическую решетку алюминия, создавая благоприятные условия для рассеяния электронов проводимости, что способствует снижению электропроводности сплава.
В этой связи, создание проводникового алюминиевого сплава, демонстрирующих высокую электропроводность наряду с прочностью, сопоставимой с прочностью термически упрочняемых алюминиевых сплавов или медных проводников, является весьма актуальной задачей современного материаловедения. Эта задача также важна с точки зрения повышения энергоэффективности токопроводящих систем, использующихся в настоящее время.
Недавно проведенные исследования в данной области позволили установить, что гораздо более эффективным для повышения комплекса свойств проводниковых алюминиевых сплавов является формирование в них специальных наноструктурных состояний, полученных с использованием термомеханической обработки, включающей методы интенсивной пластической деформации (ИПД). В частности, было показано, что помимо измельчения зерна, ИПД позволяет эффективно управлять концентрацией атомов легирующих элементов в твердом растворе, плотностью дислокаций, вакансий, составом и размерами частиц вторых фаз, нанокластеров и зернограничных сегрегаций. Управление этими наноразмерными параметрами микроструктуры, помимо значительного упрочнения, может в той или иной степени одновременно оказывать положительное влияние на электропроводность ультрамелкозернистых (УМЗ) сплавов.
В недавних исследованиях, выполненных с участием авторов данного проекта, на проводниковых сплавах системы Al-Mg-Si было показано, что формирование УМЗ структуры и регламентированного фазового состава в процессе ТМО, включающей ИПД, позволяет значительно улучшить характеристики их прочности и пластичности. Установленные закономерности влияния УМЗ структуры на физико-механические свойства данных сплавов позволили разработать технологические подходы получения из них экспериментальных образцов данных сплавов с размерами, соответствующими характеристикам промышленных изделий. В данном случае использовался непрерывный метод ИПД – равноканальное угловое прессование методом Конформ (РКУП-К)
На образцах сплавов малорастворимых систем на основе алюминия, таких как Al-РЗМ и Al-Fe, впервые было продемонстрировано, что ИПД приводит к образованию в них пересыщенного твердого раствора, что позволяет эффективно управлять уровнем прочности, электропроводности и термостойкости данных наноструктурных материалов.
В фокусе предлагаемого проекта будет разработка и исследование проводниковых сплавов на основе системы Al-Fe c высокой прочностью и электропроводностью. В качестве материалов исследования планируется использовать сплавы промышленных композиций типа 8176 с содержанием железа до 1 мас.% и 8030, дополнительно легированный медью. Выбор данных материалов обусловлен тем, что выпуск данных уже освоен в РФ на предприятиях РУСАЛ, и, соответственно, является доступным для исследования и модернизации.
В рамках проекта планируется изучение особенностей эволюции микроструктуры сплавов 8176 и 8030 под воздействием РКУП-К в сочетании с традиционными видами обработки, а также изучение влияния наноразмерных параметров микроструктуры на физико-механические свойства материалов исследования с целью достижения сочетания повышенных механических свойств и электропроводности. Использование в проекте непрерывного метода ИПД - РКУП-К позволит получить экспериментальные образцы в виде прутков с УМЗ структурой, а традиционная деформация волочением – экспериментальные образцы токопроводящих жил в виде проволоки.
Главной особенностью предлагаемого в проекте подхода является то, что его реализация позволит решить в комплексе как прикладную/инженерную, так и фундаментальную материаловедческую задачи. Будут определены технологические режимы получения проводников из УМЗ сплавов, а также установлены условия реализации максимального упрочнения и повышения электропроводности за счет формирования оптимальных параметров микроструктуры.
Основываясь на анализе результатов проведенных исследований, будет показано, что, используя предлагаемый к реализации в проекте подход, впервые станет возможным достижение в сплавах системы Al-Fe промышленных композиций высокого уровня физико-механических свойств (предел прочности более 350 МПа, электропроводность 59-60 % IACS). Достижение такого уровня свойств позволит использовать данные сплавы, в качестве альтернативы медным сплавам, в бортовой проводке перспективных транспортных систем и электродвигателях, а также в проводах воздушных линий электропередач для замены термически упрочняемых сплавов системы Al-Mg-Si.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ