Разработку теоретических основ технологии производства суперсплава для авиации в рамках проекта «Эволюция структуры высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca), получаемых с использованием технологии электромагнитного литья» провели ученые Сибирского федерального университета (СФУ), 26 июня сообщает пресс-служба вуза.

Над научным проектом вместе со специалистами СФУ работали ученые из Университета науки и технологий МИСиС, которые проводили фазовый анализ слитков сплава и исследование механических характеристик изделий из него.

Результаты исследования технологии были представлены в статье «Численное моделирование процесса электромагнитного литья и особенности технологии», опубликованной в журнале Metallurgical and Materials Transactions В.

Среди всех цветных металлов первое место по объему производства и потребления занимает алюминий. При этом уникальную продукцию, которую изготавливают в основном из различных сплавов алюминия, невозможно получить традиционными способами литья в форму.

Для этих целей были изобретены несколько технологий, одной из эффективных и недорогих из них стала технология литья в электромагнитное поле (зарегистрирована под торговой маркой «Elmacast»TM).

С ее помощью получают слитки из экспериментального алюминиевого сплава с цинком и магнием. Такой сплав обладает очень высокой прочностью, что позволяет использовать его в том числе в авиастроении.

Соавтор исследования, сотрудник Политехнического института СФУ Эдуард Винтер рассказал:

«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».

Традиционными методами литья получить продукцию из таких сплавов невозможно. Применяемые в настоящее время методы порошковой металлургии, обеспечивают уникальные характеристики продукции с таким составом, но дороги, требуют сложного оборудования и высоких мер безопасности, обладая при этом низкой производительностью.

Исследованная учеными СФУ совместно со специалистами «НПЦ Магнитной гидродинамики» (Красноярск) технология литья в электромагнитное поле обеспечивает скорости охлаждения литой заготовки, сопоставимые со скоростями в порошковой металлургии, что позволяет получать литую продукцию из сложных многокомпонентных алюминиевых сплавов.

При этом такой метод по сравнению с порошковой металлургией отличается упрощенной компоновкой оборудования, он дешевле и намного производительнее.

Исследователи пояснили, что при литье в электромагнитном поле задействованы такие физические явления, как электромагнетизм, тепломассоперенос, фазовый переход металла (кристаллизация) и динамика межфазной границы «левитирующего» расплава с открытой воздушной средой.

Все они усложняют теоретическое описание процесса, которое требует применения методов и средств многодисциплинарного численного анализа.

Профессор кафедры электротехники Политехнического института СФУ Максим Хацаюк отметил:

«Одной из наиболее сложных задач, стоящих перед нами при развитии данной технологии и создании ее 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 литье в полувзвешенном состоянии и создать полноценный высокотехнологичный промышленный комплекс, обеспечивающий современную потребность производственной сферы в высоколегированных сплавах с повышенными физико-механическими свойствами».

Результатом исследования стал набор технических и технологических параметров литейного оборудования, обеспечивающий получение литых заготовок из экспериментальных сплавов группы Al-Zn-Mg-Cu.

Мелкодисперсная микроструктура таких заготовок имеет зерно размером не более 5–15 мкм, а поскольку частицы железосодержащих фаз имеют очень малый размер, то это позволяет производить обработку заготовок, получая из них тонкостенные профили или ультратонкую проволоку.

Исследователи подвергли литые заготовки термической и механической обработке и установили, что в процессе их деформации возникает структура, характерная для композитных материалов — в алюминии равномерно распределяются микрочастицы легирующих элементов.

Такая структура обеспечивает высокие физико-механические свойства, которые нельзя получить в случае серийных сплавов, получаемых традиционными методами.