ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 114 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ одними из наиболее распространенных групп алюминиевых сплавов [6, 7]. Их востребованность обусловлена эффектом твердорастворного упрочнения, вызванным добавкой магния [8, 9]. Достичь существенного улучшения механических свойств этой группы алюминиевых сплавов можно за счет добавок скандия [10–12]. Скандий обладает низкой растворимостью в пересыщенном алюминиевом твердом растворе (например, при температуре 655 °С в равновесных условиях она составляет 0,35 %) [13]. При достаточно высокой скорости охлаждения после литья можно растворить в алюминиевую матрицу избыточное количество скандия. При нагреве до 250–350 °С происходит распад пересыщенного твердого раствора скандия в алюминии с выделением частиц Al3Sc [14]. При непрерывном распаде пересыщенного твердого раствора и отсутствии процесса коагуляции эти частицы имеют сферическую морфологию с радиусом от 2 до 20 нм [15, 16]. Такие частицы имеют тип решетки L12 и минимальное несоответствие между кристаллической решеткой и алюминиевой матрицей, что обеспечивает им когерентность [13, 14]. При размерах наночастиц от 1,5 до 4 нм упрочнение происходит из-за их перерезания дислокациями, а при превышении данных размеров – по механизму Орована [17–19]. Кроме того, скандий является сильным модификатором литой структуры [14]. Его способность к измельчению объясняется тем, что первичные интерметаллиды Al3Sc, образующиеся в жидкой фазе, также обладают структурой L12 и имеют минимальное несоответствие между кристаллической решеткой и алюминиевым твердым раствором [14, 13]. Благодаря этому первичные частицы Al3Sc создают дополнительное количество зародышей в процессе кристаллизации алюминия. Стоит отметить, что модифицирующий эффект проявляется только при достижении концентрации скандия 0,6 %, когда в жидкости начинают формироваться первичные частицы Al3Sc [14]. В то же время наночастицы скандия, формирующиеся при распаде пересыщенного твердого раствора, при повышении температуры до 400 °С начинают коагулировать и увеличиваться в размерах [14]. При достижении наночастицами критического диаметра 30–40 нм они теряют свою когерентность, а вызываемый ими упрочняющий эффект сходит на нет [16]. Это сильно ограничивает применимость скандиевых сплавов, так как, например, уменьшает температуру их гомогенизации и горячей деформации, что неизбежно будет снижать эффективность обоих процессов и приводить к увеличению энергозатрат [20]. Для повышения термостабильности наночастиц типа Al3Sc также используют малые добавки циркония [21]. Цирконий частично растворяется в частицах Al3Sc, образуя вокруг них оболочку. Благодаря тому, что цирконий обладает более низким коэффициентом диффузии, чем скандий, он тормозит рост наночастиц типа Al3Sc при повышенных температурах [22]. Кроме того, цирконий уменьшает концентрацию скандия, необходимую для образования в жидкости первичных интерметаллидов Al3Sc, а следовательно, способствует эффективной модификации литой структуры [23, 24]. Одним из классических алюминиевых сплавов с высоким содержанием Mg и добавками Sc и Zr, успешно применяющимся в промышленности, является сплав 1570 [25, 26]. В то же время, несмотря на наличие циркония, частицы Al3Sc все равно не имеют достаточной термостабильности для сохранения своего размера в ходе высокотемпературной гомогенизации и последующей горячей деформации [20]. Одним из путей решения этой проблемы является дополнительное легирование сплава 1570 гафнием. Последний имеет еще более низкий коэффициент диффузии, чем цирконий [22], кроме того, он частично растворяется в частицах Al3Sc [27], также создавая вокруг них термостабилизирующую оболочку [22]. Совместное легирование гафнием и цирконием очень эффективно для термостабилизации частиц Al3Sc [28, 29]. Исследования влияния совместных добавок гафния и циркония на термостабилизацию частиц Al3Sc проводились в основном для малолегированных алюминиевых сплавов, между тем алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния имеют ряд особенностей. Во-первых, магний несколько ускоряет кинетику распада пересыщенного скандием алюминиевого твердого раствора [30], а во-вторых, способствует увеличению критического размера наночастиц, после достижения которого происходит потеря
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1