Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Данный проект направлен на разработку высокотеплопроводного литейного алюминиевого сплава для промышленной электроники и электроавтомобилестроения. Реализация проекта в 2024 году осуществлялась в соответствии с поставленным планом исследований и была направлена на решение следующих основных задач: 1) Исследовать влияние различных элементов на теплопроводность алюминия; 2) Выбрать перспективные системы легирования, способные обеспечить оптимальное сочетание теплопроводности и литейных свойств; 3) Исследовать диаграммы состояния выбранных систем легирования и определить составы перспективных сплавов; 4) Проанализировать структуру и технологические свойства приготовленных литейных сплавов. Основные результаты, полученные в ходе реализации данного проекта, заключаются в: 1) Было выведено уравнение для определения теплопроводности алюминиевых сплавов. Установлено, что легирующие элементы расположены в порядке снижения теплопроводности алюминия следующим образом: Gd, Y, La, Zn, Ca, Mg, Cu, Ni, Fe, Si, Ti, Cr, Mn. 2) Исходя из анализа теплопроводности бинарных сплавов в качестве наиболее перспективных систем для исследования были выбраны Al–Zn–Ca, Al–Zn–Ca–Cu и Al–Zn–Ca–Mg. 3) Были рассчитаны изотермические и политермические сечения диаграмм состояния. Спрогнозировано, что при концентрации легирующих элементов не более 5 мас.% структура литых сплавов будет состоять из α-Al и эвтектики α-Al + Al4Ca. Было обнаружено, что при увеличении содержания Cu и Mg происходит достаточно значительное расширение температурного интервала кристаллизации. Поэтому было решено использовать Cu и Mg в количестве не превышающем 1 мас.%. Для дальнейшего исследования были выбраны семь составов сплавов. Для выбранных сплавов также были рассчитаны фазовый состав и интервал кристаллизации, в том числе в условиях неравновесной кристаллизации по модели Шейля-Гуливера. 4) Литые сплавы продемонстрировали весьма неплохие литейные свойства, практически не уступающие промышленному сплаву АК7пч. Было подтверждено, что данные сплавы могут быть использованы при производстве отливок методом литья под давлением. В структуре сплавов, как и было рассчитано, обнаружили дендриты α-Al и эвтектику α-Al+Al4Ca. Кроме того в структуре сплавов присутствует большая доля эвтектики, что и обеспечило им хорошую жидкотекучесть. С помощью рентгенофазового и спектрального анализа было установлено, что Zn растворяется в фазе Al4Ca, преобразуя ее в (Al,Zn)4Ca. Добавление Cu или Mg не привело к появлению новых фаз. 5) По результатам выполнения работ был подготовлен и зарегистрирован один патент на изобретение RU 2822530 C1, 08.07.2024. 6) Результаты исследования были представлены на международной конференции. Кроме того, была принята к публикации статья, входящая в Q1.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Данный проект посвящен разработке литейного алюминиевого сплава с высокой теплопроводностью для промышленной электроники и электроавтомобилестроения. Реализация проекта в 2025 году осуществлялась в соответствии с поставленным календарным планом и была направлена на решение следующих основных задач: 1) Определить оптимальный режим термообработки для сплавов Al–Zn–Ca, Al–Zn–Ca–Cu и Al–Zn–Ca–Mg для достижения максимально возможной теплопроводности сплавов; 2) Исследовать влияние выбранного режима термообработки на структуру, механические и коррозионные свойства сплавов; 3) Исследовать влияние малого количества добавок Si, Mg, Zr, Ni, Sc и Hf на структуру и свойства перспективного сплава системы Al–Zn–Ca; 4) Подобрать эффективный режим термической обработки для новых сплавов, обеспечивающий увеличение прочности и теплопроводности сплавов; 5) Исследовать механические и коррозионные свойства термообработанных сплавов новых систем; 6) Оценить температурную зависимость теплопроводности в интервале температур 25–250 °C у наиболее перспективных сплавов. Основные результаты, полученные в ходе реализации данного проекта: 1) Было исследовано влияние режимов Т4 и Т6 на твердость и теплопроводность сплавов Al–Zn–Ca, Al–Zn–Ca–Cu и Al–Zn–Ca–Mg. Как оптимальный был выбран режим термообработки Т4, способствующий росту теплопроводности сплавов: ступенчатый отжиг 500 °C, 5 ч + 550 °C, 5 ч + закалка в воде; 2) После термической обработки (режим Т4) в сплавах наблюдалась сфероидизация и рост частиц фазы (Al,Zn)4Ca, а также снижение объёмной доли эвтектики (например, с 59,0 до 37,7 об.% в сплаве AlZn3Ca4). Механические свойства сплавов после Т4: предел текучести 40–60 МПа, предел прочности 94–159 МПа, относительное удлинение >15%. Установлено, что увеличение содержания легирующих элементов способствует росту прочности. Коррозионные испытания по потере массы в водном растворе 5,7 % NaCl + 0,3 % H2O2 показали низкую скорость коррозии (≤0,02 мм/год) для большинства сплавов, кроме AlZn3Ca2Cu1 (1,21 мм/год). Потенциодинамический метод коррозионных испытаний показал более высокую скорость коррозии у термообработанных образцов (≤0,09 мм/год, кроме сплава с Cu). Установлено, что процесс коррозии идет по эвтектике, т.к. фаза (Al,Zn)4Ca выступает анодом; однако из-за растворимости Cu в этой фазе, в сплаве AlZn3Ca2Cu1 анодом становится α-Al. 3) Для упрочнения сплава AlZn3Ca3 были приготовлены 13 сплавов с Si, Mg, Zr, Ni, Sc, Hf. Структура всех сплавов состояла из дендритов алюминия и эвтектики α-Al+(Al,Zn)4Ca. Добавки Mg+Si формируют в структере фазу Al2Si2Ca, введение Ni приводит образованию тройной эвтектики α-Al+(Al,Zn)4Ca+Al9NiCa. Использование Zr или Sc не изменило морфологию, но спектральный анализ показал, что Zr преимущественно сосредоточен в α-Al, а Sc распределён равномерно между эвтектикой и твердым раствором. При анализе макроструктуры было обнаружено, что добавки Zr и Hf измельчают зерно. Максимальную твёрдость в литом состоянии (70 НВ) имеют сплавы Mg+Si. Также небольшой прирост твердости ~5 НВ продемонстрировали сплавы с Sc+Zr. Наибольшую теплопроводность сохраняют сплавы с 1 мас.% Ni, 0,1 мас.% Sc и 0,1% мас.% Zr. 4) Исследовано влияние отжига при температурах 200–400 °C на твердость и теплопроводность сплавов с добавками с Si, Mg, Zr, Ni, Sc, Hf. Максимальная эффективность термообработки было достигнута при 300 °C для Sc-содержащих сплавов, повысив твердость до 93 НВ и теплопроводность до 184,7 Вт/(м·К). Оптимальным режимом термообработки для Sc-содержащих сплавов стал отжиг при 300 °C, 3 ч (6 ч для AlZn3Ca3Sc0,1Hf0,4). 5) Испытания на растяжение выявили снижение прочности при замене Sc на Zr/Hf, однако предел текучести всех сплавов примерно в 2 раза выше, чем у базового сплава. Предел текучести сплавов Al–Zn–Ca–Sc, Al–Zn–Ca–Sc–Zr и Al–Zn–Ca–Sc–Hf равнялся 102,6–217,5 МПа, предел прочности – 169,8–269,0 МПа, относительное удлинение – 4,6–8,0 %. Коррозионные испытания в водном растворе 5,7 % NaCl + 0,3 % H2O2 показали низкую скорость коррозии 0,002–0,022 мм/год, что значительно ниже, чем у сплава АК7ч (1,88 мм/год). 6) Было установлено, что с ростом температуры от 25 до 250 °C теплопроводность сплавов AlZn3Ca3 и AlZn3Ca3Sc0,3 немного снижается. Причем для сплава AlZn3Ca3 характерно более заметное снижение теплопроводности, а именно со 182,5 до 178 Вт/(м·К). 7) Результаты исследования были представлены на международной конференции МашТех-2025. Кроме того, были написаны 2 статьи для журналов Q2 и К2.