Молодые ученые Самарского университета исследуют новые свойства алюминия

Ученые Самарского университета работают над созданием математической модели, которая поможет исследователям изучать поведение алюминиевых сплавов на ранних этапах термомеханической обработки, а инженерам прогнозировать и получать новые классы алюминиевых сплавов с заданными свойствами. Точность расчетов формирования текстуры и структуры на ранних этапах термомеханической обработки приведет к снижению брака при промышленном производстве изделий из алюминия. Работы ведутся в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ).

Для того, чтобы создать материал с четко заданными свойствами, необходимо исследовать все стадии его развития — от момента формирования кристаллографической структуры до изготовления изделия на производстве, так как кристаллографическая текстура продолжает развиваться в том числе и при холодной штамповке. Однако в случае с алюминием и его сплавами, недостаточно изучен начальный этап формирования кристаллографической текстуры, а именно, ее кубической компоненты. Особенно это касается алюминиевых сплавов с микролегированием такими химическими элементами, как скандий (Sc) и цирконий (Zr). "Ранее никто глубоко не изучал, как появляются основные компоненты в данном типе алюминиевых сплавов", — пояснил руководитель исследования, доцент кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского университета Евгений Арышенский.

В рамках исследования ученые восполняют этот пробел: они изучают поведение кристаллов, выявляют закономерности в их расположении, исследуют процессы рекристаллизации. Дело в том, что именно кристаллографическая структура алюминиевых сплавов, закладываемая на стадии проработки литого материала, во многом определяет его свойства на заключительных этапах термомеханической обработки.

Свой интерес к исследованию свойств алюминия ученые объясняют тем, что на сегодняшний день этот материал из-за сочетания своих основных свойств, а именно низкого веса, высокой пластичности и приемлемой прочности является незаменимым материалом для использования в авиационной, космической и транспортной сферах. "Я убежден, что доля алюминия будет расширяться в массовом промышленном производстве как минимум следующие 100 лет. В ближайшее время он не уступит даже материалам завтрашнего дня — композитам, которые на данном этапе развития гораздо дороже в изготовлении и часто включает в себя до 40% того же алюминия", — говорит Евгений Арышенский.

Помимо теоретических расчетов, ученые в рамках гранта РНФ проводят эксперименты с традиционными сплавами — в частности, с 5182, широко используемом в качестве конструкционного материала в авиационной и космической промышленности. Результаты эксперимента изложены в статье "Study of recrystallization kinetics in АА5182 aluminium alloy after deformation of the as-cast structure" высокорейтингового журнала Materials Research Express. Также ученые экспериментируют и с новыми сплавами, например, с 1565 ч — недавно созданным под руководством ведущего российского ученого в области металловедения алюминиевых сплавов Александра Дрица. Результаты изложены в статье "Study of the recrystallization behaviour of the aluminium 1565ch alloy during hot rolling of the as cast structures" опубликованной в Materials Research Express. Изучение кристаллографической структуры этих материалов в теории и на практике поможет создать более прочные, пластичные и корозийно устойчивые композиции алюминиевых сплавов, в том числе за счет добавления редкоземельных элементов. Новые сплавы можно будет использовать как в уже работающей авиакосмической технике, так и в новых образцах.

При этом исследователи подчеркивают: одна из целей исследования — сделать дорогостоящий процесс производства изделий из алюминия и его сплавов микролегированых переходными элементами сплавов более экономически выгодным и технологичным. "Мы работаем над комплексной математической моделью формирования текстуры на ранних этапах термомеханической обработки, которую планируем реализовать в виде программного средства, — подчеркнул Евгений Арышенский. — Это программное средство поможет инженерам задать все параметры термомеханической обработки и понять какие ее режимы на современном автоматизированном оборудовании подойдут тому или иному алюминиевому сплаву для того, чтобы получить из него изделие, имеющее заданные свойства. — Чем точнее на ранних этапах термомеханической обработки спрогнозирована эволюция кристаллографической структуры материала, тем меньше брака появится на финальных стадиях производства. По нашей оценке, в этом случае качество выпускаемой продукции повысится на 25-30%".

Для справки

Исследование по теме "Создание модели расчета эволюции текстуры и структуры на ранних этапах термомеханической обработки алюминиевых сплавов в том числе добавками переходных металлов" ведется в рамках гранта Российского научного фонда (№ 18-79-10099) по поддержке молодых ученых. Работа выполняется коллективом молодых исследователей под руководством доцента кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Евгения Арышенского. В состав научного коллектива входят старший научный сотрудник ОНИЛ-4 Самарского университета, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения Сергей Коновалов, доцент кафедры Сергей Воронин, аспиранты Василий Яшин и Илья Латушкин, студент Владислав Елагин. Кроме того, одним из участников исследования является известный ученый Юрген Хирш. Он разработал теорию формирования кристаллографической текстуры при производстве баночной ленты, которую изложил в серии научных статей, индексируемых в базах данных Web of Siense и Scopus, и цитируемых учеными по всему миру.

Алюминий — наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре после кислорода и кремния. Широко применяется как конструкционный материал поскольку лёгок, поддается формовке, штамповке, литью, механической обработке, устойчив к коррозии. Обладает высокой тепло- и электропроводностью, его соединения не ядовиты. Алюминий является основным сырьём в авиационной и авиакосмической промышленности. 

Materials Research Express — междисциплинарный журнал, посвящённый публикации новых экспериментальных и теоретических исследований свойств, характеристик, проектирования и изготовления всех классов материалов и их технологических применений. По данным Scimago Journal Rank, журнал имеет самый высокий квартиль Q1 по всем научным областям, определяемым в базе: Biomaterials, Electronic, Optical and Magnetic Materials, Metals and Alloys, Polymers and Plastics, Surfaces, Coatings and Films. По данным Journal Citation Reports, в 2017 году импакт-фактор журнала составил 1.151.