Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет35667510.17212/1994-6309-2025-27.4-272-286MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleEffect of Zr, Sc, and Hf additions on the microstructure formation of cast ALTEK alloysИсследование влияния добавок ZR, SC, HF в сплавах АЛТЭК на формирование микроструктуры при литьеhttps://orcid.org/0000-0002-7270-600858809322000HJI-8920-20235316-7512LevaginaAlina A.ЛевагинаАлина Александровна
Russian Federation

Junior researcher

м.н.с.

levagina_aa@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3875-774957192409739AAQ-6059-20219706-2596AryshenskiiEvgenii V.АрышенскийЕвгений Владимирович
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Associate Professor

доктор техн. наук, доцент

arishenskiy_ev@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4809-866055793190338G-3789-20134391-7210KonovalovSergey V.КоноваловСергей Валерьевич
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Professor

доктор техн. наук, профессор

konovalov@sibsiu.ruhttps://www.researchgate.net/profile/Sergey-Konovalov-2https://orcid.org/0000-0002-7670-905436919096400A-8354-20162253-3237RasposienkoDmitry Yu.РаспосиенкоДмитрий Юрьевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering)

канд. техн. наук

rasposienko@imp.uran.ruhttps://www.researchgate.net/profile/Dmitrii-RasposienkoSiberian State Industrial UniversityСибирский государственный индустриальный университетM.N. Miheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of SciencesИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН274VOL 27, NO4 (2025)ТОМ 27, №4 (2025)27228607122025Copyright ©; 2025, Levagina A.A., Aryshenskii E.V., Konovalov S.V., Rasposienko D.Y.Copyright ©; 2025, Левагина А.А., Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Распосиенко Д.Ю.2025Levagina A.A., Aryshenskii E.V., Konovalov S.V., Rasposienko D.Y.Левагина А.А., Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Распосиенко Д.Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/356675

Introduction. Aluminum alloys of the Al-Cu-Mn system, alloyed with 23% copper and 1–2% manganese (ALTEK), are distinguished by heat resistance and high mechanical properties due to the formation of nano-dispersed particles of the Al20Cu2Mn3 phase. When exposed to high temperatures (up to 400°C), the particles block the processes of polygonization and recovery, hindering the movement of grain boundaries. A promising direction for improving these alloys is the modification of the cast structure with transition metals (TMs). An insufficient content of TMs does not provide a modifying effect, while an excessive amount leads to a reduction in strength due to the formation of a large number of coarse intermetallic particles. The subject of this work a ALTEK alloys alloyed with Mg, Zr, Sc, and Hf. The purpose of the work is to determine the optimal concentrations of scandium, hafnium, and zirconium required for effective modification of the cast structure of ALTEK alloys during complex alloying. The effect of complex additions of transition metals (Zr, Sc, Hf) on the formation of the cast structure of Base0.15Zr0.05Sc0.05Hf, Base0.1Zr0.14Sc0.16Hf, Base0.1Zr0.2Sc0.16Hf, and Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf alloys is investigated in comparison to the base alloy. The research methods were optical and scanning electron microscopy, and X-ray diffraction analysis. Results and discussion. Modification of the grain structure in alloys with a scandium content of less than 0.20% is not observed, and the average grain structure size is 350 μm. The addition of scandium in the amount of 0.20% and 0.25% leads to a decrease in the average grain diameter to 41.8 μm and 29.7 μm, respectively. Scanning electron microscopy showed that particles of the Al6Mn and Al2CuMg phases are present in all the alloys studied. Particles of the Al3(Sc,Hf,Zr) phase are found in the Base0.1Zr0.2Sc0.16Hf and Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf compositions. X-ray diffraction analysis revealed the Al20Cu2Mn3 phase and small amounts of Al6Mn and Al2CuMg in the base alloy and in the Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf alloy. The structural modification is explained by the precipitation of primary Al3(Sc, Zr, Hf) particles. Application of the results. The obtained results are promising for the development of new materials for the manufacture of aerospace products. Conclusions. The addition of 0.20–0.25% scandium with a zirconium content of 0.1% and hafnium of 0.16% is the most effective.

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.

Aluminum alloysALTEKAl-Cu-Mn-MgStructure modificationGrain structureCast microstructureX-ray diffraction analysisScanning electron microscopyAluminum alloysALTEKAl-Cu-Mn-MgStructure modificationGrain structureCast microstructureX-ray diffraction analysisScanning electron microscopyFunding The study was funded by the Russian Science Foundation grant No. 24-19-00064, https://rscf.ru/project/24-19-00064/Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00064, https://rscf.ru/project/24-19-00064/

Funding

The study was funded by the Russian Science Foundation grant No. 24-19-00064, https://rscf.ru/project/24-19-00064/

Финансирование:

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

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.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.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.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.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.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.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.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.Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. – М.: Металлургия, 1975. – 248 с.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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/ma13102388.3-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.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.