Специалисты Университета МИСИС разработали алюминиевые сплавы с никелем и редкоземельными металлами, перспективные для электротехники и электротранспорта. Ученые подобрали составы, которые повышают прочность алюминия, не снижая его электропроводности.
Алюминий широко используют в электротехнике благодаря его способности проводить электрический ток и сравнительно небольшой плотности. Однако при создании новых материалов для электротранспорта и электрического оборудования важно учитывать не только электропроводность, но и прочность. Детали должны выдерживать механические нагрузки, сохраняя способность эффективно проводить ток и отводить тепло. Чтобы улучшить свойства алюминия, в него добавляют другие элементы. При этом важно подобрать их сочетание так, чтобы повышение прочности не приводило к существенному снижению электропроводности.
Ученые МИСИС исследовали сплавы на основе алюминия с добавлением никеля и одного из пяти редкоземельных металлов: иттрия, эрбия, иттербия, гадолиния или самария. На первом этапе авторы рассмотрели литые сплавы — материалы, полученные после заливки расплава в форму и его затвердевания. Затем образцы подвергли термической обработке, чтобы выяснить, как нагрев меняет внутреннее строение металла и его характеристики.
Исследователи установили, что при затвердевании в алюминии образуются мелкие частицы соединений никеля и редкоземельных металлов. Они влияют на механические свойства сплава, а их количество, размеры и распределение определяют, насколько хорошо материал проводит тепло и электрический ток. После нагрева при температуре 605–620 °C в течение шести часов структура изменилась: частицы укрупнились, а их распределение стало другим.
После термической обработки сплавы сохранили хорошую теплопроводность и показали достаточную прочность, что, по мнению ученых, делает их перспективными для дальнейшей разработки литейных алюминиевых сплавов, в том числе для электротранспорта.
Во втором исследовании ученые проверили, как на свойства тех же сплавов влияет прокатка. Обработка металла давлением позволила измельчить структуру материала. Средний размер частиц интерметаллических соединений — то есть соединений металлов, образующихся внутри сплава, — уменьшился примерно с 1–1,5 до 0,8–1,2 микрометра. Изменения способствовали упрочнению материала.
«Лучшие результаты показали сплавы с добавлением иттрия, эрбия и иттербия. Прокатка и последующая термическая обработка сделали их прочнее, при этом материалы сохранили способность проводить электрический ток. Это важно для создания прочных алюминиевых сплавов, которые можно использовать в электротехнике», — рассказала один из авторов исследования, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС Мария Главатских.
«Полученные результаты могут стать основой для дальнейшей разработки материалов для электрических проводников и компонентов электротранспорта. При этом речь пока идет о перспективных составах, изученных в лабораторных условиях: для практического применения необходимо продолжить исследование их характеристик и оценить возможности производства готовых изделий», — добавил еще один участник исследования, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС, кандидат технических наук Андрей Поздняков.
Ученые отмечают: обе работы показывают, что свойствами алюминиевых сплавов можно целенаправленно управлять не только за счет подбора легирующих добавок, но и с помощью технологии обработки. Для литых материалов важен баланс прочности и теплопроводности, а прокатка с последующим нагревом открывает возможности для получения более прочных сплавов с высокой электропроводностью.
Работа проведена при поддержке Российского научного фонда.
