Исследование влияния добавок ZR, SC, HF в сплавах АЛТЭК на формирование микроструктуры при литье

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mn, легированные медью в количестве 2–3 % и марганцем 1–2 % (далее АЛТЭК), отличаются термостойкостью и высокими механическими характеристиками за счет образования нанодисперсных частиц фазы Al20Cu2Mn3. При воздействии высоких температур (до 400 °С) частицы блокируют процессы полигонизации и возврата, затрудняя движение границ зерен. Перспективным направлением совершенствования данных сплавов является модифицирование литой структуры переходными металлами (ПМ). Недостаточное количество ПМ не обеспечивает модифицирования, тогда как избыточное приводит к снижению прочности из-за возникновения большого числа крупных интерметаллидных частиц. Предметом работы являются сплавы АЛТЭК, легированные Mg, Zr, Sc, Hf. Цель работы: определение оптимальных концентраций скандия, гафния и циркония, необходимых для эффективной модификации литой структуры сплавов при комплексном легировании сплавов АЛТЭК. В работе исследовано влияние комплексных добавок переходных металлов (Zr, Sc, Hf) на формирование литой структуры сплавов Base0.15Zr0.05Sc0.05Hf, Base0.1Zr0.14Sc0.16Hf, Base0.1Zr0.2Sc0.16Hf, Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf в сравнении с базовым сплавом. Методами исследования являются оптическая и сканирующая электронная микроскопия, а также рентгеноструктурный анализ. Результаты и обсуждение. Модифицирование зеренной структуры в сплавах с содержанием скандия менее 0,20 % не наблюдается, при этом размер зеренной структуры в среднем составляет 350 мкм. Добавка скандия в количестве 0,20 и 0,25 % приводит к уменьшению среднего диаметра зерна до 41,8 и 29,7 мкм соответственно. Методом сканирующей электронной микроскопии определено, что частицы фазы Al6Mn, Al2CuMg встречаются во всех исследуемых сплавах. В составах Base0.1Zr0.2Sc0.16Hf, Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf встречаются частицы фазы Al3(Sc, Hf, Zr). Методом рентгеноструктурного анализа найдены фазы Al20Cu2Mn3 и в малом количестве Al6Mn, Al2CuMg в базовом сплаве и в сплаве Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf. Модифицирование структуры объясняется выделением первичных частиц Al3(Sc, Zr, Hf). Область применения результатов. Полученные результаты перспективны в рамках разработки новых материалов для изготовления авиационной и ракетно-космической техники. Выводы. Добавка скандия 0,20–0,25 % при содержании циркония 0,1 % и гафния 0,16 % является наиболее эффективной.

Об авторах

Алина Александровна Левагина

Сибирский государственный индустриальный университет

Email: levagina_aa@sibsiu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7270-6008
SPIN-код: 5316-7512
Scopus Author ID: 58809322000
ResearcherId: HJI-8920-2023

м.н.с.

Россия, 654007, Россия, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Евгений Владимирович Арышенский

Сибирский государственный индустриальный университет

Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3875-7749
SPIN-код: 9706-2596
Scopus Author ID: 57192409739
ResearcherId: AAQ-6059-2021

доктор техн. наук, доцент

Россия, 654007, Россия, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Сергей Валерьевич Коновалов

Сибирский государственный индустриальный университет

Email: konovalov@sibsiu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4809-8660
SPIN-код: 4391-7210
Scopus Author ID: 55793190338
ResearcherId: G-3789-2013
https://www.researchgate.net/profile/Sergey-Konovalov-2

доктор техн. наук, профессор

Россия, 654007, Россия, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Дмитрий Юрьевич Распосиенко

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: rasposienko@imp.uran.ru
ORCID iD: 0000-0002-7670-9054
SPIN-код: 2253-3237
Scopus Author ID: 36919096400
ResearcherId: A-8354-2016
https://www.researchgate.net/profile/Dmitrii-Rasposienko

канд. техн. наук

Россия, 620990, Россия, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

Список литературы

  1. Sizyakov V., Bazhin V., Vlasov A. Status and prospects for growth of the aluminum industry // Metallurgist. – 2010. – Vol. 54. – P. 409–414. – doi: 10.1007/s11015-010-9316-z.
  2. Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. – М.: Руда и металлы, 2016. – 256 с. – ISBN 978-5-98191-083-8.
  3. Dar S.M., Liao H. Creep behavior of heat resistant Al–Cu–Mn alloys strengthened by fine (θ′) and coarse (Al20Cu2Mn3) second phase particles // Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 763. – P. 138062. – doi: 10.1016/j.msea.2019.138062.
  4. Crystal substructures of the rotation-twinned T (Al20Cu2Mn3) phase in 2024 aluminum alloy / Z.Q. Feng, Y.Q. Yang, B. Huang, M. Li, Y.X. Chen, J.G. Ru // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 583. – P. 445–451. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.08.200.
  5. Characterization and theoretical calculations of the T (Al20Cu2Mn3)/Al interface in 2024 alloys: TEM and DFT studies / X. Li, X. Chen, Y. Feng, B. Chen // Vacuum. – 2023. – Vol. 210. – P. 111884. – doi: 10.1016/j.vacuum.2023.111884.
  6. Белов Н.А. Обоснование состава и структуры деформируемых сплавов на базе системы Al–Cu–Mn (Zr), не требующих гомогенизации и закалки // Инновационные технологии, оборудование и материальные заготовки в машиностроении: Международная научно-техническая конференция, Москва, 24–26 мая 2022 г.: сборник трудов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2022. – С. 10–13. – EDN IXHSHM.
  7. Structure and strength of Al-Mn-Cu-Zr-Cr-Fe ALTEC alloy after radial-shear rolling / A.N. Petrova, D.Yu. Rasposienko, V.V. Astafyev, A.O. Yakovleva // Letters on Materials. – 2023. – Vol. 13 (2). – P. 177–182. – doi: 10.22226/2410-3535-2023-2-177-182.
  8. Effect of heat treatment and deformation on the grain size and mechanical properties of duralumin-type alloys / I.N. Fridlyander, V.V. Berstenev, E.A. Tkachenko, G.M. Goloviznina, L.V. Latushkina, L.P. Lantsova // Metal Science and Heat Treatment. – 2003. – Vol. 45. – P. 239–245. – doi: 10.1023/A:1027316015223.
  9. Phase composition and mechanical properties of Al–1.5%Cu–1.5%Mn–0.35%Zr(Fe, Si) wire alloy / N.A. Belov, N.O. Korotkova, T.K. Akopyan, A.M. Pesin // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 782. – P. 735–746. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.12.240.
  10. Плавление и литье алюминиевых сплавов: монография / В.И. Напалков, В.Ф. Фролов, В.Н. Баранов, С.В. Беляев, А.И. Безруких. – Красноярск: СФУ, 2020. – 716 с. – ISBN 978-5-7638-4269-2.
  11. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. – М.: Металлургия, 1975. – 248 с.
  12. Effect of Sc, Hf, and Yb additions on superplasticity of a fine-grained Al-0.4%Zr alloy / A.V. Nokhrin, M.Yu. Gryaznov, S.V. Shotin, G. Nagicheva, M.K. Chegurov, A.A. Bobrov, V.I. Kopylov, V.N. Chuvildeev // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 133. – doi: 10.3390/met13010133.
  13. Alloying aluminum alloys with scandium and zirconium additives / V.G. Davydov, V.I. Elagin, V.V. Zakharov, D. Rostova // Metal Science and Heat Treatment. – 1996. – Vol. 38. – P. 347–352. – doi: 10.1007/bf01395323.
  14. Исследование распада пересыщенного твердого раствора в высокомагниевых алюминиевых сплавах со скандием, легированных гафнием / А.М. Дриц, Е.В. Арышенский, Е.А. Кудрявцев, И.А. Зорин, С.В. Коновалов // Frontier Materials & Technologies. – 2022. – № 4. – С. 38–48. – doi: 10.18323/2782-4039-2022-4-38-48.
  15. Влияние гафния на высокомагниевые сплавы, легированные переходными металлами, при термической обработке / И.А. Зорин, Е.В. Арышенский, Е.А. Кудрявцев, А.М. Дриц, С.В. Коновалов // Frontier Materials & Technologies. – 2024. – № 1. – С. 29–36. – doi: 10.18323/2782-4039-2024-1-67-3.
  16. Захаров В.В., Филатов Ю.А. Экономнолегированные скандием алюминиевые сплавы // Технология легких сплавов. – 2021. – № 4. – С. 31–37. – doi: 10.24412/0321-4664-2021-4-31-37.
  17. Effect of hafnium on the microstructure formation during high-temperature treatment of high-magnesium aluminum alloys microalloyed with scandium and zirconium / A.A. Ragazin, E.V. Aryshenskii, I.A. Zorin, E.A. Kudryavtsev, A.M. Drits, S.V. Konovalov // Physical Mesomechanics. – 2025. – Vol. 28. – P. 535–546. – doi: 10.1134/S1029959924601702.
  18. Quantitative analysis of the Al–Cu–Mn–Zr phase diagram as a base for deformable refractory aluminum alloys / A.R. Toleuova, N.A. Belov, V.V. Chervyakova, A.N. Alabin // Metal Science and Heat Treatment. – 2012. – Vol. 54 (7). – P. 402–406. – doi: 10.1007/s11041-012-9521-4.
  19. Belov N.A., Alabin A.N. Energy efficient technology for Al–Cu–Mn–Zr sheet alloys // Materials Science Forum. – 2013. – Vol. 765. – P. 13–17. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.765.13' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.765.13.
  20. Simultaneous increase of electrical conductivity and hardness of Al–1.5 wt.% Mn alloy by addition of 1.5 wt.% Cu and 0.5 wt.% Zr / N. Belov, A. Alabin, A. Aleshchenko, V. Mann, K. Tsydenov // Metals. – 2019. – Vol. 9 (12). – P. 1246. – doi: 10.3390/met9121246.
  21. Belov N.A., Alabin A.N., Matveeva I.A. Optimization of phase composition of Al–Cu–Mn–Zr–Sc alloys for rolled products without requirement for solution treatment and quenching // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 583. – P. 206–213. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.08.202.
  22. Малыгин Г.А. Прочность и пластичность нанокристаллических материалов и наноразмерных кристаллов // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181, № 11. – С. 1129–1156. – doi: 10.3367/UFNr.0181.201111a.1129.
  23. Влияние технологических факторов на структуру и свойства Al–Cu–Mg–Si-сплава, полученного селективным лазерным сплавлением / А.Н. Петрова, А.И. Кленов, И.Г. Бродова, Д.Ю. Распосиенко, А.А. Пильщиков, Н.Ю. Орлова // Физика металлов и металловедение. – 2023. – Т. 124, № 10. – С. 961–970. – doi: 10.31857/S0015323023600922.
  24. Mondal C., Mukhopadhyay A.K. On the nature of T(Al2Mg3Zn3) and S(Al2CuMg) phases present in as-cast and annealed 7055 aluminum alloy // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 391 (1–2). – P. 367–376. – doi: 10.1016/j.msea.2004.09.013.
  25. Dendrite morphology evolution of Al6Mn phase in suction casting Al–Mn alloys / Z. Chen, Z. Li, K. Zhao, H. Zhang, H. Nagaumi // Materials. – 2020. – Vol. 13 (10). – P. 2388. – doi: 10.3390/ma13102388.
  26. -D morphology and growth mechanism of primary Al6Mn intermetallic compound in directionally solidified Al-3at.%Mn alloy / H. Kang, X. Li, Ya. Su, D. Liu, J. Guo, H. Fu // Intermetallics. – 2020. – Vol. 23. – P. 32–38. – doi: 10.1016/j.intermet.2011.12.015.
  27. Influence of Al2Cu morphology on the incipient melting characteristics in B206 Al alloy / A. Lombardi, W. Mu, C. Ravindran, N. Dogan, M. Barati // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 747. – P. 131–139. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.02.329.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Примечание

Финансирование:

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00064, https://rscf.ru/project/24-19-00064/



Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».