Сибирский федеральный университет

Лучший сплав для строительства кораблей

Разработка экономнолегированных высокопрочных Al-Sc сплавов для применения в автомобильном транспорте и судоходстве.

Проект под научным руководством и. о. заведующего кафедрой общей металлургии В. Н. Баранова направлен на создание производства высококачественных алюминиевых сплавов для изделий автомобильной и кораблестроительной отраслей на территории Российской Федерации. Разработка новых сплавов и внедрение технологии литья плоских слитков из новых алюминиевых сплавов системы Al-Mg, экономнолегированных скандием, обеспечит высокий уровень механических и антикоррозионных свойств сплавов, а также низкий уровень себестоимости производства плоских слитков из них. Качественные сплавы, экономнолегированные скандием, будут предназначены для производства из них деформированных полуфабрикатов (плиты, листы) для применения в конструкциях автомобилей и судов.

В ходе реализации проекта будет достигнута научно-техническая цель — разработка и введение в эксплуатацию технологии получения алюминиевых сплавов, экономнолегированных добавками скандия, в виде слитков. В дальнейшем они будут перерабатываться в деформируемые полуфабрикаты с механическими характеристиками:

• временное сопротивление разрыву, не менее 390 МПа;
• предел текучести, не менее 275 МПа;
• относительное удлинение, не менее 12 %.

Ключевыми научно-техническими и технологическими задачами, решаемыми в рамках проекта, являются:

• исследование и выбор температурно-временных режимов приготовления расплавов для эффективного усвоения скандия в комплексе с другими металлами;
• исследование и выбор температурно-скоростных режимов полунепрерывного литья слитков из сплавов, экономнолегированных скандием;
• исследование и разработка режимов термообработки слитков для повышения их технологичности при деформации;
• определение режимов термообработки слитков и получения деформируемых полуфабрикатов для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик.

Данный научно-исследовательский проект практической направленности является составной частью комплексного проекта Компании РУСАЛ и выполняется по заказу АО «РУСАЛ Братск».

Отмечено, что в мире растёт интерес к использованию скандия в качестве легирующей добавки в алюминий, несмотря на сложность процесса производства алюмо-скандиевых сплавов, что делает его очень дорогостоящим.

Четыре сильнейшие группы алюминиевых сплавов на сегодня — это 2XXX, 5XXX, 7XXX и Al-Li применяются в мировом производстве в соответствии с таблицей.

Рост потенциального рынка алюмо-скандиевых сплавов в мире очевиден. В России с появлением новых промышленных технологий, развитием наукоемких отраслей, а главное, с целью импортозамещения и освоения отечественного оригинального производства высокотехнологичных продуктов настоящий проект приобретает безусловную актуальность и неоценимую значимость.

Сроки выполнения: 2017–2019.

Импортозамещение в алюминиевой промышленности

Разработка научно-технических и технологических решений по созданию импортозамещающей технологии получения лигатуры алюминий-титан для модифицирования алюминия и его сплавов.

Научно-исследовательский проект, выполняющийся под руководством профессора, ведущего научного сотрудника института Б. П. Куликова, направлен на создание импортозамещающей технологии получения модифицирующей лигатуры Al-Ti с регулируемым в микронном диапазоне крупности средним размером частиц алюминида титана, предпочтительно 3–10 мкм.

Для повышения механических, технологических и эксплуатационных свойств отливок, слитков, а также получаемых из них изделий и полуфабрикатов наиболее распространенным и эффективным способом является измельчения структуры (модифицирование) алюминия и его сплавов с использованием алюминиевых лигатур – промежуточных сплавов с высоким содержанием тугоплавких элементов. В настоящее время для модифицирования алюминия и его сплавов на алюминиевых заводах Объединенной компании (ОК) «РУСАЛ» и металлургических заводах России используют, в основном, импортную прутковую лигатуру Al–Ti–B.

Благодаря полученному продукту можно будет полностью заменить лигатуру Al-Ti-B, исключить применение соединений бора для получения лигатур, а также снизить себестоимость алюминиевых лигатур Al-Ti (в сравнении с лигатурой Al-TiB) не менее чем на 10 % (при одинаковом содержании титана). Разработка учёных института сможет обеспечить модифицирующую способность лигатуры Al-Ti не ниже лигатуры Al-Ti-B при одинаковом удельном расходе лигатур и содержании титана.

Важно, что благодаря реализации этого проекта в институте создаётся научно-технический задел по одному из флагманских направлении развития алюминиевой отрасли России, связанный с разработкой высокоэффективных и недорогих лигатур для модифицирования алюминия и его сплавов.

Благодаря усилиям металлургов СФУ создаётся импортозамещающая технология, которая отвечает интересам целого ряда отраслей отечественной промышленности и может быть использована на предприятиях алюминиевой, авиационной, автомобильной промышленности, изготавливающих деформируемые алюминиевые сплавы и изделия из них. Предполагается, что в будущем эта разработка поможет преодолеть зависимость отечественной алюминиевой промышленности от зарубежных аналогов и повысить конкурентоспособность и экспортный потенциал российских производителей алюминиевых лигатур на отечественном и мировом рынках.

Сроки выполнения: 2017–2020.

Экспресс-проверка анода

Устройство для неразрушающей дефектоскопии и оценки качества анодных и катодных блоков алюминиевого электролизера (сканер анода).

Данный исследовательски-практический проект, выполняемый под научным руководством профессора-консультанта кафедры металлургии цветных металлов П. В. Полякова, реализуется коллективом учёных Института цветных материалов и материаловедения и Института инженерной физики и радиоэлектроники. Он направлен на создание устройства оценки качества анодов. Проект начал своё развитие в рамках крупного исследования по заказу ООО «РУСАЛ ИТЦ» , посвящённого созданию высокотехнологичного сверхмощного производства алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов на базе технологии РА-550.

В настоящее время в рамках проекта разработан метод измерения электрического сопротивления анода контактным способом для определения качества анода. Эффективность созданного устройства подтверждается исследованиями на лабораторной установке по определению неразрушающим экспресс методом качества углеродных материалов, а также промышленными испытаниями. Устройство представляет собой автоматизированную систему с возможностью установки и настройки под действующее производство, без прерывания производственного цикла. Все измерения и перемещения датчиков по поверхности блока (анодного или катодного) производятся в автоматическом режиме. Продолжительность измерения составляет менее 60 секунд и зависит от габаритных размеров исследуемого блока, что также позволяет использовать устройство в условиях непрерывного потока на конвейере. Автоматизированная система управления устройства обеспечивает точность проведения цикла измерений и последующей обработки полученных данных. Полученные данные выводятся на экране компьютера в специализированном ПО в виде обработанных полей распределения потенциала на которых возможно определить степень искажения и локализовать место, а зачастую и тип внутреннего дефекта блока. В настоящее время возможно выявление в анодных блоках таких дефектов как трещины, пустоты, неоднородность внутренней структуры.

Для поиска, отбраковки и сортировки анодов применен комплексный способ оценки качества, включающий три метода обработки данных: корреляционный метод, метод вычитания и метод интегральной оценки качества анода.

Сроки выполнения: 2016–2020.

Улучшаем качество сплавов

Лигатуры с многослойными углеродными нанотрубками для модифицирования алюминия и его сплавов.

С 2014 г. коллектив под научным руководством А. И. Безруких, доцента кафедры литейного производства, руководителя научно-учебной лаборатории дисперсных и наноструктурированных твёрдых, вязких и коллоидных материалов им. Л. И. Маминой, сотрудничает с ООО «Карбонтех» (г. Новосибирск) и участвует в разработке технологии производства углеродных нанотрубок со специальным покрытием для модифицирования структуры алюминиевых сплавов, а также занимается разработкой технологии производства лигатур с углеродными нанотрубками для цветных металлов и их сплавов.

Основной задачей учёных было исключить выгорание углеродных нанотрубок при высоких температурах и обеспечить лёгкое смачивание алюминием, что позволяет вводить новые нанотрубки в расплав без использования сложных способов и получить низкую себестоимость готового сплава.

В настоящее время разработанная технология позволяет при модифицировании алюминиевого сплава углеродными нанотрубками получить существенное увеличение прочности и характеристик сплава (не менее, чем дает модификатор Al-Ti-С) с меньшими затратами. В перспективе это позволит получить новую продукцию с улучшенными характеристиками, что приведёт к получению повышенной прибыли.

На сегодняшний день продолжается работа по разработке новых составов модификаторов с многослойными (MWCNT) и однослойными (SWCNT) углеродными нанотрубками (CNT), плакированными частицами металлов, карбидов, боридов, оксидов.

Совершенствуется технология получения композиционных алюминиевых сплавов с высоким содержанием CNT порядка 1–3 %. Предполагается выпуск модификаторов в виде готовых лигатур — слитки, пруток, таблетки.
Ведётся работа по определению оптимального содержания CNT в зависимости от типа сплава и технологии производства конечных изделий. Приоритетное направление — авиационные и машиностроительные высокопрочные сплавы группы 7xxx, 2xxx, 5xxx.

Специалистами ООО «Карбонтех» разработан метод модифицирования углеродных нанотрубок. Создана технология подготовки CNT (модифицирование поверхности за счёт функциональных групп, состоящих из наночастиц и ионов металлов), что позволяет ввести их в виде модификатора в расплав алюминия.

Полученные нанотрубки имеют (по сравнению с исходными) модифицированную поверхность, демонстрирующую родство с тем металлом, для смешивания с которым они и предназначены. В таких трубках устранена инертность углеродной поверхности. Благодаря плакирующему покрытию на поверхности CNT между нанотрубкой и металлом возникает взаимодействие, невозможное без модифицирования.

В ходе реализации проекта была решена ключевая проблема, препятствующая применению CNT для модифицирования алюминиевых сплавов — это разработка технологии получения прутковой лигатуры с MWCNT, плакированными различными металлами и химическими соединениями, что позволяет обеспечить ввод и сохранение нанотрубок в расплаве в течение продолжительного времени.

Существующие на рынке решения по получению композитов алюминия с CNT значительно уступают решению, предлагаемому научным коллективом проекта — наш продукт имеет контролируемые свойства, уникальную модифицированную поверхность и, что немаловажно, низкую стоимость (350 $ за килограмм). Для сравнения, металлокомпозит на основе порошков чистых металлов (Al, Cu, Fe, Zn) и CNT, производимые компанией CAN (Корея), а также аналогичная продукция компании OcSiAl (Россия) продаётся по цене в десятки раз превышающей стоимость разработанной лигатуры.

В настоящее время получены опытные образцы прутков лигатуры Al-2 % MWCNT.

Опытные образцы прутков лигатуры Al-1%МУНТ

Сроки выполнения: 2016–2020.