ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

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.

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/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. 3-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.