«Коллектив исследователей Университета науки и технологий МИСИС — лидера в области материаловедения в стране — разработал и запатентовал инновационный сплав на основе алюминия, в котором сочетаются такие механические свойства, как прочность, пластичность, теплопроводность и устойчивость к коррозии. Вариации соотношения добавок — скандия и циркония — позволяют проектировать материалы с заданными свойствами под конкретные задачи», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
Современная электроника и электротранспорт требуют материалов, которые при малом весе эффективно отводят тепло. Новые тенденции в автомобилестроении предполагают получение одной большой детали сложной формы методом литья вместо набора мелких частей, требующих сборки, что значительно ускоряет производство. Эту технологию уже успешно применяет компания Tesla для изготовления алюминиевых деталей массой до 150 кг на установках Giga Press. В этом случае традиционные литейные сплавы неприменимы, поскольку не обеспечивают высокой теплопроводности.
За основу исследователи взяли алюминиевый сплав с добавками цинка и кальция. Ранее он уже показал хорошие результаты: высокую проводимость тепла, устойчивость к коррозии и пригодность для технологии литья. Из него можно получать детали сложной формы в больших объёмах, но его прочность оставалась сравнительно низкой, что ограничивало применение.
«Чтобы решить эту проблему, мы добавили в сплав небольшое количество скандия и циркония — элементов, способных увеличивать прочность материала без снижения теплопроводности. В ходе эксперимента мы варьировали их соотношение и изучали, как это влияет на свойства материала», — сказала аспирантка кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ) НИТУ МИСИС Анастасия Лыскович.
«Сложность разработки материала одновременно технологичного для изготовления деталей методом литья и обладающего высокой теплопроводностью заключается в том, что, как правило, все литейные сплавы содержат большое количество добавок, которые её снижают. В предлагаемом сплаве литейные свойства обеспечивают кальций и цинк, которые практически не влияют на способность алюминия отводить тепло. За высокие механические свойства отвечают скандий и цирконий, добавляемые в очень небольшом количестве и эффективно упрочняющие алюминиевый сплав в ходе термической обработки», — отметил д.т.н. Андрей Колтыгин, заведующий кафедрой ЛТиХОМ, директор инжинирингового центра литейных технологий и материалов НИТУ МИСИС.
Выяснилось, что увеличение доли циркония немного снижает прочность и теплопроводность, но делает материал более пластичным, заметно повышает его устойчивость к коррозии и снижает стоимость.
Полученные результаты открывают возможности для создания новых алюминиевых сплавов для электроники, энергетики и транспорта — там, где требуется изделия сложной формы, которое должно одновременно эффективно отводить тепло и выдерживать механические нагрузки.
Подробности исследования опубликованы в научных журналах Materials (Q2) и Transactions of Nonferrous Metals Society of China (Q1). Работа проведена при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-29-00682).