Лить в магнитное поле: как удешевить производство высокопрочных материалов для авиастроения

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. Одним из таких способов и стала технология литья в электромагнитное поле (зарегистрирована под торговой маркой “Elmacast”TM), которая позволяет получить слитки из экспериментального алюминиевого сплава с цинком и магнием. Такой сплав обладает уникальной прочностью и может использоваться, например, для авиастроения. Новая технология значительно упростит и удешевит производство нужных слитков.

Над научным проектом работали специалисты 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. Исследование опубликовано в Metallurgical and Materials Transactions В, о нем сообщает пресс-релиз Минобрнауки.

«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, учёный 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, чтобы изготовить литые заготовки нужного качества. В ходе дальнейшего эксперимента они получили алюминиевые слитки из сплавов с высокими прочностными характеристиками.

Технология литья в электромагнитное поле (ЭМК), изученная учёными 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 упрощённой 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 её 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 литьё 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 учёные 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 размельчённое 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 учёные 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.