Научные основы дизайна и технологий получения пожаробезопасных жаропрочных магниевых сплавов, металломатричных композитов, пеноматериалов и конверсионных керамических покрытий для авиакосмического и специального машиностроения

Алюминиевые и магниевые сплавы относятся к наиболее перспективному классу материалов для авиакосмических, машиностроительных и медицинских применений. При этом существующий уровень физико-механических и поверхностных свойства этих сплавов (прочность, пластичность, усталостная прочность, коррозионная стойкость, износостойкость и др.) для многих применений требуют значительного улучшения. Кроме того, магниевые сплавы обладают высокой пожароопасностью.

Для управления одновременно всем комплексом необходимых под конкретную задачу механических, технологических и эксплуатационных свойств Mg сплавов и металломатричных композитов на основе Mg и/или Al требуется глубокое понимание связи этих свойств со структурой и составом материала, а также разработка и оптимизация технологических решений по его получению. Указанная задача хорошо сочетается с задачей «Разработка методов и подходов к моделированию процессов, протекающих в материалах при их производстве, обработке и эксплуатации» Технологического проекта НОЦ «Инженерия будущего» «Разработка цифровых двойников материалов и технологических процессов их обработки на примере перспективных алюминиевых сплавов для авиа-, ракето-, судо- и автомобилестроения».

Недостаточная коррозионная и износостойкость Mg и Al сплавов и композиционных материалов на их основе, особенно в агрессивных средах, обусловливает необходимость их поверхностного модифицирования для удовлетворения всему комплексу требований.

Предлагаемый проект предполагает разработку комплексной технологии получения и обработки группы новых материалов c высокой удельной прочностью и изделий из них, что является актуальной задачей. Кроме того, выявление взаимосвязей структуры и теплофизических свойств защитных слоев, сформированных ПЭО, имеет научную и практическую ценность, заключающуюся в возможностях управления теплофизическими свойствами оксидных слоев. Особенно это важно при сочетании тепловых и механических нагрузок. Весьма перспективна разрабатываемые магниевые сплавы для получения пористых металлических изделий и композиционных материалов на их основе. Пористый магний сочетает в себе комплекс уникальных физико-механических и эксплуатационных свойств: низкий удельный вес (ниже 1 г/см3), низкий коэффициент теплопроводности, способность поглощать акустические и электромагнитные колебания, возможность деформироваться практически при постоянной нагрузке, что делает пористый магний идеальным поглотителем ударных нагрузок. Пористые материалы из биосовместимых магниевых сплавов будут обладать уникальными способностями, позволяющими считать их перспективным материалом в медицине для имплантологии, поскольку наличие сквозной пористости позволяет костной ткани прорастать сквозь импланты и надежно фиксировать конструкцию, а также поры имплантатов могут быть насыщены разнообразными, ускоряющими остеогенез материалами. Пористый магний, учитывая особенности его строения, может послужить основой для создания объемноармированных и слоистых композиционных материалов в том числе и в сочетании с полимерными материалами.

Основной задачей проекта является установление на экспериментальном и теоретическом уровнях связей между составом, структурой и типом упрочнения, а также пространственной структурой пористой алюминиевой и магниевой матриц и конечными механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами материалов.

Наряду с развитием структурно-фазового подхода в дизайне легких сплавов и маталломатричных композитов на их основе одной из главных научно-технических задач проекта является разработка подходов формирования оптимального структурно-фазового состояния и комплекса свойства (адгезии, коррозионной стойкости, износостойкости, теплофизических характеристик) защитных конверсионных оксидных слоев (покрытий), формируемых методом плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО).

В ходе реализации проекта планируется разработать научные подходы к получению пеномагния инфильтрацией жидкого расплава через водорастворимые соли и композиционных материалов с магниевой матрицей.

Проведенные исследования позволят установить влияние тепловых и гидродинамических условий, а так же химического состава магниевого расплава на процессы инфильтрации жидкого магния через засыпку водорастворимых гранул при получении пеномагния,, разработать методы управления пористостью и размером пор. Планируется установить влияние режимов литья, химического состава магниевых сплавов, гранулометрического состава засыпки водорастворимых гранул на физико-механические и эксплуатационные свойства пеномагния. В ходе исследований будут разработаны научные подходы к применению магния для получения слоистых и объемноармированных композиционных материалов, установлено влияние физико-химических и технологических условий формирования на структуру, механические и эксплуатационные свойства композиционных материалов.

1 этап (2023 год)

2 этап (2024 год)

3 этап (2025 год)