Одним из ключевых направлений научно-исследовательской деятельности кафедры материаловедения и основ конструирования ВятГУ является разработка литейных легированных сплавов, в том числе на основе «алюминий – магний – кремний». Нацеленные на повышение прочности и практичности, они предполагают различные варианты легирования, ряд из которых предложил аспирант Александр Трудоношин под руководством профессора Александра Скворцова.
Литейные сплавы на основе алюминия имеют в составе магний и кремний в особом соотношении (2:1), образуя соединение Mg2Si. Оно является перспективным интерметаллидом, который используется в качестве упрочняющей фазы в сплавах Al-Mg-Si. Mg2Si имеет низкую плотность (1,88 г/см3) и высокий модуль Юнга (120ГПа).
В процессе работы над повышением свойств алюминиевых сплавов рассматривались разные легирующие добавки.
Исследователя заинтересовало, как могут влиять на качество сплава разные легирующие элементы с низкой плотностью: скандий (2,99 г/см3), бор (2,34 г/см3), кремний (2,33 г/см3), бериллий (1,84 г/см3), магний (1,74 г/см3), литий (0,53 г/см3).
- Наибольший интерес для авиа и космоса представляют сплавы со скандием и литием. Однако добавление скандия, хоть и приносит существенное – до 50 процентов - улучшение свойств, не является целесообразным ввиду высокой цены, -
сделал вывод Александр Трудоношин.
|
Элемент |
Al |
Sc |
Si |
Mg |
Li |
Zn |
Cu |
|
Цена, $/кг |
2,5 |
132000 |
3,04 |
4,7 |
17 |
3,2 |
6,6 |
|
Используемые концентрации для легирования, % |
- |
0.4 |
12 |
10 |
2 |
7 |
6 |
|
Увеличение цены сплавана % |
- |
800 |
15 |
18 |
13 |
8 |
17 |
Что касается лития, то каждый 1% этого элемента снижает плотность сплава на 3%, увеличивает модуль Юнга на 6% и значительно повышает прочность. Несмотря на это, в современном производстве используются исключительно деформируемые Al-Li сплавы – ученый ВятГУ дал шанс и литейным, считая их недооцененными при разработке современных транспортных средств.
- Используя различные режимы термообработки, можно добиться необходимой комбинации механических свойств сплавов, что вызвано наложением эффектов дисперсионного упрочнения сплавов Al-Mg-Si и Li-содержащих дисперсных выделений, -
рассказал Александр Трудоношин.
Исследовательское чутье подсказало Александру Трудоношину обратить внимание на сплавы на базе Al-Mg-Zn, где фаза из двух последних элементов значительно влияет на увеличение прочности. Добавив незначительное количество цинка в литейный сплав на основе Al-Mg-Si, ученый получил в структуре нанодисперсные частицы соединения магния с цинком, увеличив в итоге прочность сплава на 25-30 процентов. А после термической обработки сплава на 20 процентов увеличилась и его пластичность.
Изучению влияния цинка на систему Al-Mg-Si в литейных сплавах посвящено несколько статей исследователя, в том числе «Heat treatment of high-pressure die casting Al-Mg-Si-Mn-Zn alloys» в престижном Journal of Alloys and Compounds.
Александр Трудоношин рассказал, что подобной проблематикой в мире занимается небольшое количество исследовательских групп, в частности в Великобритании и Иране. Новый сплав не имеет аналогов и сможет составить серьезную конкуренцию уже существующим в широком спектре направлений использования, в том числе авто-, авиа-, ракетостроении.
Фото, иллюстрации: А.И. Трудоношин; таблица «Влияние цены добавок на цену сплавов»; упрочняющие наноразмернве частицы (сплав с цинком, сплав с литием).
#ВятГУ#наукаВятГУ#материаловедениеВятГУ
