ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния широко используются в автомобильной, строительной и аэрокосмической отраслях вследствие своего низкого удельного веса и высоких прочностных свойств. Улучшить характеристики таких сплавов позволяют малые добавки скандия и циркония. Однако скандий очень дорог, поэтому в сплавах нового поколения его количество стараются сократить. В недавно разработанном алюминиевом сплаве 1590 это удалось сделать благодаря введению добавок эрбия и гафния. Цель работы. Исследование влияния концентрации эрбия и гафния на модификацию литой структуры в сплаве 1590 при высоких скоростях кристаллизации. Методы. В работе исследованы микроструктура, химический состав и размер интерметаллидов в образцах из десяти модификаций сплава 1590 с различным содержанием гафния и эрбия, отлитых в медный кокиль со скоростью кристаллизации 10 °С/с. Исследование зеренной структуры производили на оптическом микроскопе. Химический состав и размер интерметаллидных фаз исследовали при помощи Tescan Vega 3. Результаты и обсуждение. Установлено, что при увеличении количества гафния и эрбия происходит модифицирование литой структуры. В целом измельчение зерна при добавках гафния и эрбия можно объяснить ростом переохлаждения между твердой и жидкой фазой. При содержании гафния 0,16 % дендритная структура начинает переходить в равноосную. Такую картину можно объяснить появлением в жидкой фазе первичных интерметаллидов типа Al₃Sc. Эти интерметаллиды были выявлены при концентрации эрбия и гафния, равной 0,16 %. Кроме того, во всех сплавах были выявлены интерметаллидные соединения эвтектического происхождения, содержащие марганец и железо и не оказывающие влияния на литую структуру. Сравнение с ранее полученными результатами по размеру зерна при литье в стальной кокиль показывает, что с увеличением скорости кристаллизации эффективность модифицирования в сплаве 1590 уменьшается. Это объясняется увеличением концентрации переходных элементов в твердом растворе, прежде всего скандия, необходимых для формирования первичных интерметаллидных частиц.

1. Алаттар А.Л.А., Бажин В.Ю. Композиционные материалы Al-Cu-B4C для получения высокопрочных заготовок // Металлург. – 2020. – № 6. – С. 65–70.

2. Grain refinement of casting aluminum alloys of the Al–Mg–Si system by processing the liquid phase using nanosecond electromagnetic pulses / V.B. Deev, E.H. Ri, E.S. Prusov, M.A. Ermakov, A.V. Goncharov // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2021. – Vol. 62 (5). – P. 522–530. – DOI: 10.3103/S1067821221050023.

3. Novel high-strength casting Al−Zn−Mg−Ca−Fe aluminum alloy without heat treatment / P.K. Shurkin, N.A. Belov, A.F. Musin, A.A. Aksenov // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2020. – Vol. 61 (2). – P. 179–187. – DOI: 10.3103/S1067821220020121.

4. Musfirah A.H., Jaharah A.G. Magnesium and aluminum alloys in automotive industry // Journal of Applied Sciences Research. – 2012. – Vol. 8 (9). – P. 4865–4875.

5. Benedyk J.C. Aluminum alloys for lightweight automotive structures // Materials, design and manufacturing for lightweight vehicles. – Woodhead Publishing, 2010. – Ch. 3. – P. 79–113. – DOI: 10.1533/9781845697822.1.79.

6. Петров А.П., Головкин П.А. Режимы горячей деформации и технологическая пластичность сплавов систем Al–Mg и Al–Mg–Sc // Перспективные технологии легких и специальных сплавов. – М.: Физматлит, 2006. – С. 213–221. – ISBN 5-9221-0716-Х.

7. Rana R.S., Purohit R., Das S. Reviews on the influences of alloying elements on the microstructure and mechanical properties of aluminum alloys and aluminum alloy composites // International Journal of Scientific and Research Publications. – 2012. – Vol. 2 (6). – P. 1–7.

8. Sanders R.E., Baumann S.F., Stumpf H.C. Wrought non-heat treatable aluminum alloys // Treatise in Materials Science & Technology. – Academic Press, 1989. – Vol. 31. – P. 65–105. – DOI: 10.1016/B978-0-12-341831-9.50008-5.

9. Norman A.F., Prangnell P.B., McEwen R.S. The solidification behaviour of dilute aluminium–scandium alloys // Acta Materialia. – 1998. – Vol. 46 (16). – P. 5715–5732. – DOI: 10.1016/S1359-6454(98)00257-2.

10. Zakharov V.V. Effect of scandium on the structure and properties of aluminum alloys // Metal Science and Heat Treatment. – 2003. – Vol. 45 (7–8). – P. 246–253. – DOI: 10.1023/A:1027368032062.

11. Alloying aluminum alloys with scandium and zirconium additives / V.G. Davydov, V.I. Elagin, V.V. Zakharov, D. Rostoval // Metal Science and Heat Treatment. – 1996. – Vol. 38 (8). – P. 347–352. – DOI: 10.1007/BF01395323.

12. Effect of minor Sc and Zr on the microstructure and mechanical properties of Al–Mg based alloys / Z. Yin, Q. Pan, Y. Zhang, F. Jiang // Materials Science and Engineering: A. – 2000. – Vol. 280 (1). – P. 151–155. – DOI: 10.1016/S0921-5093(99)00682-6.

13. Сплав 1570С – материал для герметичных конструкций перспективных многоразовых изделий РКК «Энергия» / А.В. Бронз, В.И. Ефремов, А.Д. Плотников, А.Г. Чернявский // Космическая техника и технологии. – 2014. – № 4 (7). – С. 62–67.

14. Автократова Е.В. Перспективный Al-Mg-Sc сплав для самолетостроения // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2007. – Т. 9, № 1. – С. 182–183.

15. Влияние режимов термической обработки на механические свойства алюминиевых сплавов 1570, 1580 и 1590 / Е.В. Арышенский, В.Ю. Арышенский, А.М Дриц, Ф.В. Гречников, А.А. Рагазин // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2022. – Т. 21, № 4. – С. 76–87. – DOI: 10.18287/2541-7533-2022-21-4-76-87.

16. Исследование распада пересыщенного твердого раствора в новых высокомагниевых сплавах, экономнолегированных малыми скандиевыми добавками / А.А. Рагазин, Е.В. Арышенский, В.Ю. Арышенский, А.М. Дриц, С.В. Коновалов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2022. – Т. 19, № 4. – С. 491–500. – DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2022.04.008.

17. Патент № 2726520 С1 Российская Федерация. Свариваемый термически не упрочняемый сплав на основе системы Al-Mg: опубл. 14.07.2020, Бюл. № 20 / Дриц А.М., Арышенский В.Ю., Арышенский Е.В., Захаров В.В.

18. Телешов В.В. Фундаментальная закономерность изменения структуры при кристаллизации алюминиевых сплавов с разной скоростью охлаждения // Технология легких сплавов. – 2015. – № 2. – С. 13–18.

19. The formation of Al₃(Sc_xZr_yHf_1−x−y)-dispersoids in aluminium alloys / H. Hallem, W. Lefebvre, B. Forbord, F. Danoix, K. Marthinsen // Materials Science and Engineering: A. – 2006. – Vol. 421 (1–2). – P. 154–160. – DOI: 10.1016/j.msea.2005.11.063.

20. Hallem H., Forbord B., Marthinsen K. Investigation of Al-Fe-Si alloys with additions of Hf, Sc and Zr // Materials Forum. – 2004. – Vol. 28. – P. 825–831.

21. Исследование влияния гафния и эрбия на микроструктуру литейной заготовки в высокомагниевом алюминиевом сплаве экономнолегированным скандием / В.Ю. Арышенский, Е.В. Арышенский, А.А. Рагазин, И.Д. Бахтегареев, С.В. Коновалов // Металлургия: технологии, инновации, качество «Металлургия-2022»: труды XXIII Международной научно-практической конференции. – Новокузнецк: СибГИУ, 2022. – Ч. 1. – С. 156–161.

22. Yao W.J., Wang N., Wei B. Containerless rapid solidification of highly undercooled Co-Si eutectic alloys // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 344 (1–2). – P. 10–19. – DOI: 10.1016/S0921-5093(01)01895-0.

23. Influence of rapid solidification on the microstructure of AZ91HP alloy / J. Cai, G.C. Ma, Z. Liu, H.F. Zhang, Z.Q. Hu // Journal of Alloys and Compounds. – 2006. – Vol. 422 (1–2). – P. 92–96. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2005.11.054.

24. The grain refinement mechanism of cast aluminium by zirconium / F. Wang, D. Qiu, Z. Liu, J.A. Taylor, M.A. Easton, M. Zhang // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61 (15). – P. 5636–5645. – DOI: 10.1016/j.actamat.2013.05.044.

25. Grain refinement mechanism of as-cast aluminum by hafnium / H. Li, D. Li, Z. Zhu, B. Chen, X. Chen, Ch. Yang, H. Zhang, W. Kang // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2016. – Vol. 26 (12). – P. 3059–3069. – DOI: 10.1016/S1003-6326(16)64438-2.

26. Захаров В.В. Особенности кристаллизации алюминиевых сплавов, легированных скандием // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2011. – № 9. – С. 12–18.

27. Warmuzek M., Ratuszek W., Sek-Sas G. Chemical inhomogeneity of intermetallic phases precipitates formed during solidification of Al-Si alloys // Materials Characterization. – 2005. – Vol. 54 (1). – P. 31–40. – DOI: 10.1016/j.matchar.2004.10.001.

28. Engler O., Kuhnke K., Hasenclever J. Development of intermetallic particles during solidification and homogenization of two AA 5xxx series Al-Mg alloys with different Mg contents // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 728. – P. 669–681. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.09.060.

29. Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys // International Materials Reviews. – 2005. – Vol. 50 (1). – P. 19–44. – DOI: 10.1179/174328005X14311.

30. Investigation of the phase relations in the Al-rich alloys of the Al–Sc–Hf system in solid state / L.L. Rokhlin, N.R. Bochvar, J. Boselli, T.V. Dobatkina // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. – 2010. – Vol. 31. – P. 327–332. – DOI: 10.1007/s11669-010-9710-z.

31. Белоцерковец В.В. Закономерности получения недендритной структуры в алюминиевых сплавах с цирконием // Технология легких сплавов. – 2013. – № 4. – С. 160–168.

32. Косов Я.И. Перспективные композиции алюминиевых сплавов и лигатур // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 11-4 (53). – С. 73–77. – DOI: 10.18454/IRJ.2016.53.150.

33. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3 т. Т. 1 / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с. – ISBN 5-217-02688-X.