Этап 3

 

Резюме проекта,

выполненного по Соглашению о предоставлении гранта в форме субсидии в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»

 итоговое

 

Номер Соглашения Электронного бюджета: 075-15-2019-950, Внутренний номер соглашения 14.586.21.0061

 

Тема: «Исследование феномена границ зерен и разработка низкотемпературной сверхпластической формовки высокопрочных ультрамелкозернистых алюминиевых сплавов»

 

Приоритетное направление: Индустрия наносистем (ИН)

 

Критическая технология: Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов

 

Период выполнения: 22.02.2018 - 31.12.2020

 

Плановое финансирование проекта: 18.60 млн. руб.

 

Бюджетные средства 9.30 млн. руб.,

 

Внебюджетные средства 9.30 млн. руб.

 

Получатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"

 

Иностранный партнер: Университет имени Лоранда Этвёша

 

Ключевые слова: Алюминиевые сплавы, термомеханическая обработка, интенсивная пластическая деформация, наноструктурныематериалы, высокопрочное состояние, границы зерен, зернограничные сегрегации, фазовый состав, низкотемпературная сверхпластичность, механические свойства, формовка.

 

 

1. Цель проекта

 

Установление влияния параметров структуры границ зерен в высокопрочных ультрамелкозернистых алюминиевых сплавах на комбинацию механизмов, ответственных за проявление ими низкотемпературной сверхпластичности, и разработка технологических условий формовки в режиме низкотемпературной сверхпластичности, обеспечивающих получение экспериментальных образцов высокопрочных изделий сложной формы для использования в перспективных конструкциях наземного и воздушного транспорта.

 

 

2. Основные результаты проекта

 

В рамках выполнения проекта в период с 22.02.2018 г. по 30.06.2020г. получены следующие основные результаты:

 

(1) Получены материалы для исследования: сплавы двух модельных систем Al-Zn и Al-Zn-Mg и промышленный высокопрочный сплав системы Al-Zn-Mg-Cu. Обоснованы и выбраны режимы их термомеханической обработки (ТМО), включающей интенсивную пластическую деформацию (ИПД), осуществляемую или методом интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) или методом равноканального углового прессования (РКУП) с последующей холодной прокаткой (ХП).

 

(2) Проведена обработка и сформированы наноструктурные состояния в экспериментальных образцах алюминиевых сплавов, используя ТМО, включающую или ИПДК, или РКУП с последующей ХП.

 

(3) Выполнен совместно с иностранным партнером прецизионный анализ особенностей наноструктур, сформированных в процессе ТМО, включающей ИПД методами ИПДК или РКУП, с помощью современных методов исследования, таких как аналитическая просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), в том числе с использованием анализа картин дифракции обратно рассеянных электронов (ДОРЭ), а также с привлечением рентгеноструктурного анализа (РСА).

 

(4) Выполнены комплексные исследования механических свойств и определены характеристики прочности, пластичности при комнатной температуре, а также величина коэффициента скоростной чувствительности в интервале скоростей деформации от 10 (в степени -1) до 10 (в степени -6) c (в степени -1) образцов алюминиевых сплавов в наноструктурном состоянии. Установлены условия проявления ими низкотемпературной сверхпластичности (СП) и предложены модельные представления о механизмах этого явления.

 

(5) Определены технические параметры, демонстрируемые экспериментальными образцами наноструктурных алюминиевых сплавов при двухосном растяжении в условиях низкотемпературной СП.

 

(6) Продемонстрированы преимущества сверхпластической формовки на ряде образцов пилотных изделий (прототипов изделий), изготовленных из промышленного наноструктурного алюминиевого сплава 7050 системы Al-Zn-Mg-Cu методом листовой штамповки: образцы демонстрируют на 15-20 % более высокий уровень прочности, чем образцы аналогичного сплава в крупнозернистом состоянии, подвергнутые традиционной упрочняющей обработке типа Т73, а также обладают функциональными свойствами – термостабильностью прочности до температуры отжига 120 °С включительно, что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к свойствам промышленных сплавов 7000 серии.

 

(7) На основе проведенных патентных исследований подана заявка на выдачу патента РФ на изобретение «Ультрамелкозернистые алюминиевые сплавы для высокопрочных изделий, изготовленных в условиях сверхпластичности, и способ получения изделий».

 

(8) Разработан Лабораторный регламент на изготовление пилотных изделий (прототипов изделий) сложной формы из промышленных наноструктурных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu с использованием метода формовки в условиях низкотемпературной сверхпластичности.

 

(9) Разработан проект Технического задания на проведение ОКР/ОТР по теме «Разработка технологии получения высокопрочных изделий сложной формы из алюминиевых сплавов с привлечением формообразующих операций в условиях низкотемпературной сверхпластичности».

 

(10) Подготовлены предложения и рекомендация по практическому использованию результатов исследований в реальном секторе экономики, в частности, в перспективных наземных и аэрокосмических транспортных системах в качестве конструкционных материалов нового поколения.

Иностранным партнером (Университет имени Лоранда Этвеша, г. Будапешт, Венгрия) в рамках проекта получены следующие результаты:

(i) осуществлен прецизионный анализ особенностей наноструктур и фазового состава образцов, полученных от российских партнеров с помощью методов ДСК, РФА и РСА;

(ii) исследованы образования выделений и сегрегаций легирующих элементов вдоль границ зерен с использованием таких передовых методов анализа микроструктуры, как просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения и сканирующая просвечивающая электронная микроскопия;

(iii) определена величина скоростной чувствительности массивных наноструктурных образцов сплавов методами нано- и микроиндентирования, а также осуществлена деформация макро-образцов на сжатие в заданном интервале температур и скоростей деформации;

(iv) проведена деформация в режиме ползучести с помощью индентирования, аттестовано механическое поведение при повышенных температурах в интервале термической стабильности наноструктур и исследованы механизмы развития пластической деформации в наноструктурных образцах алюминиевых сплавов;

(v) совместно обобщены механизмы, обеспечивающие проявление низкотемператутной сверхпластичности наноструктурными алюминиевыми сплавами и установлено влияние границ зерен на выделение фаз в сплавах Al-Zn-Mg-Cu;

(vii) на основе данных, полученных в совместном проекте, разработана модель наноструктур, обеспечивающих проявление низкотемпературной сверхпластичности в алюминиевых сплавах и сохранение ими высокой прочности после завершения формообразующей операции.

 

В рамках проекта Получателем субсидии (УГАТУ) опубликовано 7 статей по тематике проекта в международных научных журналах: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (WoS, Scopus), MRS Communications (WoS, Scopus), Materials Science and Engineering A (WoS - Q1, Scopus), Acta Materialia (WoS - Q1, Scopus), Materials Letters (WoS - Q1, Scopus), Advanced Engineering Materials (WoS-Q2, SJR-Q1); подана заявка на патент РФ на изобретение. Результаты проекта были представлены его участниками в виде ключевых, приглашенных и устных докладов на ряде международных и российских конференций: 13-ая международная конференция по сверхпластичности перспективных материалов ICSAM 2018 (Санкт-Петербург, Россия, 19-22.08.2018), 1-ый китайско-российский академический симпозиум по перспективным металлическим материалам и их производству (Нанкин, Китай, 10-12.10.2018), 5-ая международная конференция по новым тенденциям в области конструкционных материалов COMAT 2018 (Пльзень, Чехия, 14-16.11.2018), Шестой международный симпозиум «Объемные наноматериалы: от науки к инновациям. BNM-2019” (Уфа, Россия, 25-27.09.2019), XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Уфа, Россия, 19-24.08.2019), 149-ая ежегодная конференция и выставка TMS 2020 (Сан-Диего, США, 23-27.02.2020) и др.

 

Полученные в ходе выполнения научных исследований результаты являются новыми и представлены впервые. Полученные результаты полностью соответствуют Плану-графику исполнения обязательств и Техническому заданию к соглашению о предоставлении субсидии.

 

Судя по данным, опубликованным в мировой литературе, полученные экспериментальные образцы исследуемых наноструктурных алюминиевых сплавов систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu демонстрируют уникальное сочетание прочности и низкотемпературной сверхпластичности, не достигаемое ранее. Образцы пилотных изделий, изготовленные из наноструктурного промышленного алюминиевого сплава марка 7050 показали на 15-20 % более высокий уровень прочности, чем образцы аналогичного сплава в крупнозернистом состоянии, подвергнутые традиционной упрочняющей обработке типа Т73, а также обладают функциональными свойствами – термостабильностью прочности до температуры отжига 120 °С включительно, что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к свойствам промышленных сплавов 7000 серии.

 

По проекту Получателем субсидии выполнены все показатели результативности субсидии, установленные соглашением о предоставлении субсидии.

 

 

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), созданные при выполнении проекта

 

Изобретение, заявка (на регистрации в ФИПС) «Ультрамелкозернистые алюминиевые сплавы для высокопрочных изделий, изготовленных в условиях сверхпластичности, и способ получения изделий», РФ.

 

 

4. Назначение и область применения результатов проекта

 

Исследуемые промышленные сплавы 7000 серии систем легирования Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu в наноструктурных высокопрочных состояниях представляют непосредственный интерес для применений в промышленности, транспорте, авиации в качестве конструкционных материалов нового поколения. Эти материалы могут применяться, например, для изготовления элементов и узлов кузова, планера и т.д., полученных методами формовки или высокоточной/прецизионной штамповки в условиях низкотемпературной сверхпластичности. В настоящее время в России и за рубежом отмечается резкое повышение внимания к расширению областей использования легких и высокопрочных сплавов систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, а также технологий получения из них полуфабрикатов, изделий и конструкций в автомобильной и авиакосмической промышленности, а также в скоростном железнодорожном транспорте. В этой связи, полученные в рамках проекта результаты, могут быть фундаментом для развития новых материалов и технологий, а также стать важным стимулом для развития более широкого международного сотрудничества.

 

 

5. Эффекты от внедрения результатов проекта

 

Полученные на данном этапе результаты еще недостаточны для внедрения в производство и требуют выполнения дальнейших ОКР/ОТР, но уже активно используются в учебном процессе на ряде специальностей УГАТУ – входят в учебные курсы по наноматериалам и механическим свойствам.

 

 

6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

 

Коммерциализацию планируется сделать предметом дальнейших работ (в том числе ОКР/ОТР) на базе полученных научно-технических результатов в рамках данного проекта.

 

В перспективе данные высокопрочные наноструктурные алюминиевые сплавы, проявляющие эффект низкотемпературной сверхпластичности, могут использоваться для передовых применений в автомобильной и авиакосмической промышленности, скоростном железнодорожном транспорте, а также в военной технике.

 

 

7. Наличие соисполнителей

Соисполнители отсутствуют.