Эволюция структуры высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca), получаемых с использованием технологии электромагнитного литья (РНФ-44)

Сплавы на основе алюминия занимают особое положение среди конструкционных материалов. С одной стороны, это связано с возможностью достижения уникального сочетания основных эксплуатационных свойств (прочности, пластичности, коррозионной стойкости и т. д.) с низкой плотностью (в частности, сравнительно со сталью и медными сплавами). С другой стороны, алюминий относится к наиболее распространенным в природе элементам, занимая по содержанию в земной коре третье место (и первое среди металлов, превосходя по этому показателю медь в 800 раз). Уже сейчас он занимает прочное первое место по объему производства и потребления среди всех цветных металлов. Все это говорит о хороших перспективах увеличения его производства и потребления. Однако существует проблема, связанная с необходимостью значительного повышения прочностных свойств (в частности, в виде деформированных полуфабрикатов) при достаточной высокой допустимой концентрации железа ( желательно не менее 0,5%), поскольку этот элемент присутствует в технических марках первичного алюминия (ГОСТ 11069-2001) Добавки цинка и магния (а также в марочных сплавах меди) позволяют достигнуть высоких прочностных свойств (временного сопротивления до 700 МПа), что реализовано в марочных деформируемых сплавах типа 7ХХХ серии: В95/В96 или 7075/7150 по ГОСТ4784-2019. Недостатком этих сплавов является строгое требование к чистоте по примесям, прежде всего, железа, что не позволяет готовить такие сплавы из дешевых шихтовых материалов. С другой стороны известно, что при повышенных скоростях охлаждения происходит диспергирования литой структуры, в том числе железо-содержащих фаз. Это может положительно сказаться на механических свойствах конечных деформированных полуфабрикатов. В работах ВИЛСа, проведенных в 1970-1990 гг.) под руководством В.И. Добаткина были предложены составы сплавов на базе системы Al–Zn–Mg-Cu, дополнительно легированные добавками никеля, кобальта и железа применительно к технологии RS/PM (быстрое затвердевание с последующими операциями порошковой металлургии). Несмотря на повышение прочностных свойств по сравнению с марочными сплавами (временное сопротивление более 800 МПа) данный подход не получил развития ввиду сложности исполнения и высокой стоимости конченых полуфабрикатов В качестве альтернативы технологии RS/PM в Сибирском федеральном университете (СФУ) были проведены фундаментальные и прикладные исследования литья алюминиевых слитков малого сечения в высокочастотном (килогерцового диапазона) электромагнитном поле. Были предложены способ и устройства литья в ЭМК. В ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию опытно-промышленная установка для получения алюминиевых сплавов путем литья в ЭМК. В результате проведенных теоретических исследований и экспериментов предложена и отработана технология литья в ЭМК, зарегистрированная под торговой маркой ElmaCast™ (www.elmacast.com). Технология ElmaCast™ обеспечивает скорости охлаждения литой заготовки, сопоставимые со скоростями при технологии RS/PM. В частности, сравнительный анализ электропроводности и прочности волоченой проволоки из сплава 01417, полученной по технологии RS/PM и технологии ElmaCast™ показал близкие значения. Метод ЭМК был также успешно опробован при изготовлении экспериментальных алюминиевых сплавов, в частности, с добавками железа, кальция и циркония. В данном проекте предлагается применить метод ЭМК и технологию ElmaCast™ к высокопрочным деформируемым алюминиевым сплавам на базе системы Al-Zn-Mg, дополнительно легированных эвтектикообразующими элементами: Ni, Ca и Fe. Начать исследования планируется с нового сплава AZ6NF системы Al–Zn–Mg–Ni–Fe (ГОСТ 4784-2019). В начале работы с использованием данных по использованию метода ЭМК и технологии ElmaCast™ для изготовления марочных сплавов и теоретических подходов (включая численное моделирование связанных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, протекающих при литье в электромагнитном поле) будут обоснование режимы плавки и литья слитков диаметром до 25 мм применительно к технологии ElmaCast™. Ввиду повышенной скорости охлаждения предполагается, что концентрация железа может быть существенно повышена по сравнению с марочным составом (как минимум до 1%). Поскольку измельчение структурных составляющих способствует ускорению диффузии легирующих элементов, время гомогенизации литых заготовок может существенно снизиться по сравнению с обычным литьем. Более того, возможно совмещение гомогенизации с нагревом под деформационную обработку (в частности, прессование). В целом, планируется не только повысить прочностные свойства, но и существенно сократить технологический цикл получения деформированных полуфабрикатов по сравнению с традиционной технологией для сплавов 7ххх серии. Поскольку никель отрицательно влияет на коррозионную стойкость, также предлагается изучить возможность использовать в качестве основного эвтектикообразующего элемента (наряду с железом) кальций, Сплавы системы Al–Zn–Mg–Ca–¬Fe уже продемонстрировали возможность получения из них различных деформированных полуфабрикатов (листов и прутков) с высокими механическими и свойствами в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью. В данном проекте будет изучено влияние параметров ЭМК (величина и частота тока индуктора, скорость вытягивания слитка, интенсивность охлаждения и др.) при получении слитков алюминиевых сплавов системы Al–Zn-Mg (Ni, Fe, Ca) и параметров их последующей деформационно-термической обработки на эволюцию структуры и фазового состава. За счет высокой скорости охлаждения в процессе литья по технологии ElmaCast™ эвтектикообразующие легирующие элементы (в частности, никель, железо и кальций) позволят обеспечить формирование в конечных деформируемых полуфабрикатах (в частности, прутках и проволоке) структуры, состоящей из алюминиевой матрицы, упрочненной вторичными выделениями фаз, содержащими Zn и Mg, и глобулярных эвтектических включений субмикронного размера, равномерно распределенных в матрице. Предполагается, что такая структура позволит получить более высокие прочностные свойства по сравнению с марочными сплавами типа В96 (ГОСТ 4784-2019). Для подтверждения данного предположения существенное место в данном проекте будет уделено оценке эксплуатационных (прочности, пластичности, коррозионной стойкости) и технологических свойств. Новизна проекта состоит в том, что будут сформированы научные подходы по конструированию структуры высокопрочных алюминиевых сплавов на базе систем Al–Zn–Mg–Ni–Fe и Al–Zn–Mg–Ca–Fe применительно к технологии ElmaCast™ и обоснованы параметры и режимы технологического процесса, обеспечивающего высокий уровень механических свойств (временное сопротивление - не менее 700 МПа, предел текучести - не менее 600 МПа, относительное удлинение – не менее 5%).