В России была увеличена на четверть прочность алюминия, используемого в авиастроении и автомобильной промышленности. Разработкой занимались специалисты Томского государственного университета в рамках работы научного центра «Новые материалы специального назначения».
И.о. проректора ТГУ по научной и инновационной деятельности Александр Ворожцов, руководитель проекта научного центра ««Новые материалы специального назначения». Источник фото: Пресс-служба ТГУ
Отечественные исследователи добились роста прочности алюминиевого сплава на 25%, а также улучшили его пластичность за счёт введения базальтовых волокон. Данный материал находит применение в таких отраслях, как авиация и выпуск автомобилей.
Как проинформировали в пресс-службе Томского государственного университета, «Сотрудники ТГУ разработали метод, позволяющий существенно улучшить характеристики литейного алюминиевого сплава АК12, известного как силумин. Этот материал активно применяется при создании автомобилей и самолётов. Введение всего 1% базальтовых волокон вместе с обработкой расплава ультразвуком и вибрацией обеспечило рост предела прочности композита на 25%, а также увеличило его твёрдость и способность к пластической деформации», — отметили в университете.
Алюминиевые сплавы: плюсы и минусы
Алюминиевые сплавы востребованы в промышленности благодаря своей лёгкости, устойчивости к коррозии и удобству при литье деталей для машин, приборов и воздушных судов.
Однако у них есть недостаток: внутри материала образуются хрупкие игольчатые структуры, состоящие из кремния и прочих соединений. Эти включения снижают пластичность и надёжность конечных изделий.
Типичный пример такого сплава АК12, в составе которого содержится от 10 до 13% кремния, а также примеси железа и магния, формирующие интерметаллидные фазы.
Исследователи нашли решение проблемы, связанной с одновременным обеспечением твёрдости и пластичности.
Добавление базальтовых волокон
Эксперименты показали, что добавление базальтовых волокон изменяет внутреннюю структуру сплава: они препятствуют возникновению хрупких игольчатых образований, заменяя их округлыми зёрнами. Учёные полагают, что такой эффект связан с наличием кальция в базальте.
Важным аспектом исследования стало использование ультразвуковой и вибрационной обработки расплава. Этот метод позволяет равномерно распределить базальтовые волокна объёмом всего 1% по всей массе алюминия, избегая их комкования и обеспечивая стабильность свойств готового изделия.
Учёные ТГУ отмечают, что выбранный режим обработки не требует сложного переоборудования существующих литейных производств — достаточно интеграции стандартных ультразвуковых генераторов и вибростолов в технологическую цепочку. Это значительно упрощает масштабирование технологии от лабораторных образцов до промышленных партий.
Полученные результаты подтверждают, что введение базальтовых волокон решает давнюю проблему конструкционных алюминиевых сплавов — так называемый «треугольник свойств», где повышение твёрдости традиционно ведёт к снижению пластичности и вязкости.
Замена игольчатых интерметаллидных включений на округлые зёрна, происходящая благодаря кальцию в базальте, позволяет материалу одновременно сопротивляться деформации и не ломаться хрупко при ударных нагрузках. Такое поведение особенно важно для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок и вибраций — например, для лонжеронов крыла или картеров двигателей.
«Результаты механических испытаний подтвердили действенность предложенного подхода. Предел прочности материала вырос на четверть с 186 до 232 мегапаскалей. Сплав стал заметно более пластичным: его способность растягиваться до момента разрушения увеличилась с 2,8 до 3,5 процента. Показатели твёрдости также улучшились. При этом напряжение, при котором начинается пластическая деформация, практически не изменилось»,- рассказали в вузе ТАСС.
Томский государственный университет. Источник фото: Яндекс Карты
Перспективы разработки
Разработка томских учёных открывает новые перспективы для отечественного машиностроения, где сочетание лёгкости и прочности материалов является ключевым требованием. Авиационная промышленность, стремящаяся к снижению массы конструкций без потери надёжности, получает возможность использовать модифицированный силумин в элементах корпусов, кронштейнах и деталях шасси.
В автомобилестроении повышенная пластичность композита позволит изготавливать более сложные и тонкостенные литые детали двигателей, коробок передач и подвесок, что снизит общий вес транспортных средств и, как следствие, расход топлива.
При этом базальтовые волокна, в отличие от дорогостоящих углеродных аналогов, являются доступным и распространённым сырьём, что делает технологию экономически выгодной для массового внедрения.
Исследования были проведены сотрудниками Томского государственного университета на базе научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения». Данная работа получила поддержку Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Дальнейшие планы научного центра «Новые материалы специального назначения» включают испытания модифицированного сплава в реальных условиях эксплуатации на стендах авиастроительных и автомобильных предприятий.
Параллельно ведётся поиск оптимальных составов базальтовых волокон и режимов их введения для сплавов с другим содержанием кремния — в частности, для высокопрочных серий, используемых в космической отрасли.
Если подтвердится долговременная стойкость композита к коррозии и усталости, технология может стать основой для нового поколения отечественных алюминиевых материалов, не уступающих зарубежным аналогам при значительно меньшей себестоимости.