Отчет о научно-исследовательской работе "Обоснование состава проводниковых термостойких наноструктурных алюминиевых сплавов системы Al-Ca-Fe-Si-Zr и оптимизация технологии получения из них деформированных полуфабрикатов" этап заключительный

В рамках настоящего проекта, на базе концепции, основанной на анализе фазового состава многокомпонентных систем, планируется разработка принципов конструирования новых проводниковых алюминиевых сплавов, обладающих оптимальным комплексом физико-механических свойств. Проблема повышения физико-механических свойств алюминиевых проводниковых термостойких сплавов является актуальной в связи с возросшими требованиями к кабельно-проводниковой продукции (ГОСТ Р МЭК 62004-2014 (IEC 62004:2007) и ASTM B 941-16). Повышение требований к комплексу свойств (прочности / электропроводности / термостойкости) вызваны тенденцией замены медных проводов алюминиевыми, в том числе в бытовом секторе энергопотребления. Имеющиеся классические марки проводникового алюминия (А5Е, 1050, 8076, А7Е) и сплавы типа АВЕ при достаточной электропроводности не обладают необходимой термостойкостью - испытывают разупрочнение при кратковременных нагревах 200-250 оС. Имеющийся жаропрочный сплав 01417 (Al-7%РЗМ), проволока из которого длительно эксплуатируется при температурах до 250 °С, ориентирован на производство по гранульной технологии (технология RS/PM). Несмотря на преимущества, стоит выделить трудоемкость реализации данной технологии. Также невозможность получения требуемых свойств деформированных полуфабрикатов из сплава 01417 при скоростях охлаждения, реализуемых в промышленной технологии непрерывного литья и прокатки (СЛНП) вызывает потребность в разработке новых проводниковых материалов на основе алюминия для серийного производства. В связи с чем предлагается обосновать химический и фазовый состав, разработать технологические режимы получения деформированных полуфабрикатов из проводниковых термостойких сплавов системы Al-Ca-Fe-Si-Zr. В рассматриваемой системе легирования кальций и цирконий являются полезной добавкой. Цирконий, растворяясь в матричной фазе (Al) в процессе кристаллизации слитков приводит к образованию при последующем гетерогенизационном отжиге наночастиц фазы структурного типа L12 (Al3Zr), диаметром 10-15 нм. Появление в структуре частиц подобного рода обеспечивает дополнительное дисперсионное упрочнение, а также повышение температурно-деформационного порога рекристаллизации. Кальций, практически не растворяясь в алюминии, способен нейтрализовать вредное воздействие примесей железа и кремния, за счет образования интерметаллидов эвтектического происхождения, имеющих компактную морфологию, что позволяет получить оптимальный комплекс физико-механических свойств. В качестве базового технологического процесса получения деформированных полуфабрикатов предлагается рассмотреть способ непрерывного литья и прокатки, который реализован на установках Properzi и Southwire. С целью получения улучшенного комплекса свойств рассматривается технология, включающая способ литья в электромагнитный кристаллизатор. Данный метод позволяет получать длинномерные заготовки при скорости охлаждения, сопоставимой со скоростью охлаждения в технологии быстрого затвердевания с последующими операциями порошковой металлургии (известной как RS/PM). Полученные результаты позволят расширить сортамент производства изделий из алюминиевых сплавов, что приведет к увеличению потребления алюминия. Возможность использования алюминия низкосортных марок для производства новых сплавов также расширит ранок потребления алюминия за счет снижения стоимости. Новые термостойкие сплавы, получаемые по технологии ЭМК, смогут послужить заменой жаропрочному сплаву 01417. Более низкая стоимость кальция по сравнению с церием, выигрыш в весе конечных изделий при высоком уровне свойств электропроводности, прочности и термостойкости являются безусловным преимуществом новых разрабатываемых сплавов. Научная новизна ожидаемых результатов заключается в: -проведении расчетным и экспериментальным путем количественного анализа фазового состава сплавов системы Al-Ca-Fe-Si-Zr, в том числе для условий неравновесной кристаллизации. Полученные результаты позволят установить предельно допустимые концентрации компонентов сплавов. -установлении расчетными и экспериментальными методами зависимости электропроводности от содержания легирующих и примесных элементов в проводниковых сплавах системы Al-Ca-Fe-Si-Zr; -установлении закономерности влияния параметров фазового состава и структуры, формирующихся в процессе литья при скоростях охлаждения ~20 К/с и ~1000 К/с, на физико-механические свойства деформированных полуфабрикатов из перспективных сплавов системы Al-Ca-Fe-Si-Zr; -установлении закономерностей влияния формирующихся в процессе термомеханической обработки параметров фазового состава и микроструктуры, включая субмикро- и наноразмерные параметры структуры, на физико-механические свойства; -обосновании состава проводниковых термостойких наноструктурных сплавах на базе системы Al-Ca-Fe-Si-Zr при реализации технологии непрерывного литья и прокатки (скорость охлаждения слитка ~20 К/с) и способа получения проволоки с использованием технологии литья в электромагнитный кристаллизатор (скорость охлаждения слитка ~1000 К/с).