Андрей Поздняков, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ «МИСИС». Источник: rbanews.ru
Специалисты НИТУ «МИСИС» предложили оригинальную методику создания алюминиевых сплавов для энергетики. Данная разработка даёт возможность улучшить механические свойства материала, не ухудшая его способности проводить электрический ток. Полученный сплав на основе недорогого алюминия с присадками редкоземельных элементов может оказаться более экономически эффективной и долговечной заменой нынешним материалам, используемым для производства проводов воздушных ЛЭП.
Алюминий по праву занимает ключевое место в энергетической отрасли. Его преимущества — лёгкость, хорошая коррозионная стойкость и высокая электропроводность. Тем не менее, у этого металла есть и слабые стороны: он обладает недостаточной прочностью, его свойства ухудшаются при нагреве, а существующие упрочнённые сплавы часто имеют пониженную электропроводность.
«Перспективные материалы, созданные учёными НИТУ «МИСИС», активно находят применение в разных высокотехнологичных отраслях. Молодой учёный, к.т.н. Андрей Поздняков, предложил для использования в энергетике алюминиевые сплавы, легированные цирконием и редкоземельными металлами, такими как гадолиний или иттербий, а также с повышенными концентрациями железа и кремния. Этот материал характеризуется отличной проводимостью, повышенной прочностью и термостойкостью при доступной цене легирующих добавок. Сплав будет востребован для изготовления электрических проводов, работающих в условиях значительных механических нагрузок и высоких температур», — прокомментировала ректор НИТУ «МИСИС» Алевтина Черникова.
Обычно подобные добавки рассматриваются как вредные примеси, но исследователи продемонстрировали, что при точном управлении структурой материала их влияние можно обратить в пользу. «Основой является термомеханическая обработка, включающая прокатку и последующий отпуск при заданных температурных режимах. Эта процедура приводит к формированию внутри алюминиевой матрицы наночастиц особой кристаллической решётки. Они стабилизируют структуру металла на наноуровне, что и повышает его прочностные и теплостойкие качества», — пояснил к.т.н., доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ «МИСИС» Андрей Поздняков.
Образцы инновационного сплава. Источник фото: Научная Россия
Критически важным является не только наличие этих частиц, но и контроль времени их образования. Сравнив различные технологические режимы, учёные выяснили, что предварительный отжиг перед прокаткой способствует более однородному распределению наночастиц. В итоге получается материал с улучшенными прочностными показателями. Испытания подтвердили, что оптимально обработанные сплавы обладают высоким пределом текучести и коррозионной стойкостью при уровне электропроводности, близком к чистому алюминию. Свойства материала остаются стабильными даже после продолжительного, в сотни часов, воздействия повышенных температур.
«Алюминиевые сплавы можно производить, используя умеренное количество редкоземельных элементов и обходясь без дорогого скандия. Полученный материал сочетает в себе хорошую электропроводность, высокую прочность и термическую стабильность, что делает его перспективным для изготовления проводов и иных токонесущих деталей, работающих в экстремальных условиях», — подвёл итог Андрей Поздняков.
Отвечая на вопросы журнала «Химагрегаты» о потенциале применения новых сплавов в машиностроении, он уточнил: «Данные сплавы прежде всего являются проводниковыми. Это усовершенствованная версия стандартных сплавов для проводников, таких как А5Е (электротехнический алюминий), с улучшенной прочностью и термостабильностью.
Сплавы в обязательном порядке содержат Zr, а также примеси Fe и Si, то есть их можно выплавлять на основе алюминия технической чистоты марки А0. Дополнительно обязательно легирование одним из редкоземельных металлов (Y, Er, Yb, Gd). Фактически, это сплав системы Al-Zr-Fe-Si-РЗМ.
После отжига, обработки давлением (прокатка в лист толщиной 1 мм или волочение в проволоку диаметром 1,5-2,5 мм) и последующего отжига сплавы демонстрируют предел текучести 200-220 МПа при электропроводности 55-56,5% по стандарту IACS (относительно отожжённой меди).
Что касается штампуемости: мы получали листы толщиной 1 мм из исходных слитков 20 мм и проволоку диаметром 1,5-2,5 мм. Технологичность при обработке давлением отличная, поскольку это, по сути, малолегированный алюминий — суммарная доля легирующих добавок составляет около 1,6% по массе.
О коррозионной стойкости: мы исследовали поведение сплавов в условиях электрохимической коррозии в сравнении со сплавом А5Е. Плотность тока коррозии сплава А5Е — 0,18 мкА/см², новых сплавов — 0,11-0,22 мкА/см². Чем ниже ток, тем выше стойкость к коррозии. В целом, коррозионная стойкость находится на уровне сплава А5Е».