Когда металл течет как стекло
Ученые ННГУ им. Н. И. Лобачевского разрабатывают новые способы модификации структуры проводниковых алюминиевых сплавов
В настоящее время низколегированные алюминиевые сплавы широко используются в электротехнике и машиностроении. Вместе с тем следует отметить, что современная электротехника предъявляет очень высокие и в ряде случаев взаимоисключающие требования к алюминиевым сплавам.
Например, для эффективной работы проводниковые алюминиевые сплавы должны обладать одновременно высокой электропроводностью и прочностью, а иногда и длительной термической стабильностью, если планируется их применение в условиях длительного воздействия температур. Обычно разработчики обеспечивают высокую прочность и термическую стабильность алюминиевых сплавов за счет сложного легирования, которое приводит к резкому снижению электропроводности материалов.
С 2017 года ученые Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ по инициативе ФГУП «Московский завод по обработке специальных сплавов» взялись за решение задачи повышения эксплуатационных характеристик алюминиевых сплавов, использовав для получения новых низколегированных алюминиевых сплавов технологию индукционного литья в вакууме.
По словам заведующего лабораторией диагностики материалов Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ, профессора Алексея Нохрина, одной из основных задач была отработка режимов литья новых алюминиевых сплавов.
«Структура литого металла очень неоднородна, имеет игольчатую дендритную структуру, в ней присутствуют крупные частицы, образовавшиеся при литье. Из-за этого литой металл очень плохо обрабатывается давлением. Для этого необходимо сначала очень точно определить режимы литья металла, которые позволят избежать наличие крупных частиц, а потом, с помощью пластической деформации, измельчить литую дендритную структуру. Сложность второго этапа состоит в том, что обработку нельзя проводить при повышенных температурах, как обычно делают на предприятиях. Повышение температуры сразу приводит к выделению крупных прочных частиц, которые являются причиной частого обрыва получаемой проволоки, диаметр которой меньше 0,5 мм», — поясняет Алексей Нохрин.
Для решения задачи получения такой тонкой проволоки учеными ННГУ был проведен большой цикл исследований по изучению влияния режимов литья на однородность структуры и свойств алюминиевых сплавов, содержащих микродобавки магния и скандия.
В качестве ключевых методов управления структурой алюминиевых сплавов в исследовании были использованы технологии интенсивного пластического деформирования — равноканального углового прессования и ротационной ковки.
Это позволило ученым сформировать в полученных сплавах однородную высокопластичную структуру, в которой путем отжига были выделены наночастицы, обеспечивающие необходимый уровень прочности и термостойкости изготовленных проводов.
Созданные сплавы продемонстрировали ряд уникальных характеристик. Нижегородским ученым не только удалось решить сложную задачу одновременного повышения прочности, электропроводности и термостойкости сплавов, но и дополнительно обеспечить в них очень высокий уровень пластичности при повышенных температурах.
Проведенные исследования показали, что новые сплавы обладают эффектом сверхпластичности — при испытаниях на растяжение при температуре 500 °C и высоких скоростях деформации образцы удлинялись более чем на 1000%, а после охлаждения вновь становились очень прочными и электропроводящими.
«Это позволит производителям изготавливать проволоку в режиме сверхпластичности, когда включаются особые механизмы деформации и металл «течет» как жидкое стекло», — резюмирует Алексей Нохрин.
Полученные научные результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Journal of Alloys and Compounds (2020, v. 831, Article ID 154805), практическая часть разработки в настоящее время готовится к патентованию.
В настоящее время ученые ННГУ приступили к следующей стадии реализации проекта, целью которого является замена дорогостоящего скандия на другие легирующие добавки (Zr, Yb и другие), которые позволят сохранить высокие характеристики полученных сплавов, но резко снизить их себестоимость.
