Аннотация результатов, полученных в 2017 году
С помощью расчетных (Thermo-Calc) и экспериментальных (ОМ, СЭМ. ПЭМ, МРСА, ДСК и др.) методов построены фрагменты фазовых диаграмм системы Al-Ca-Sc-Zr-Mn-Fe-Si, включая подсистемы Al-Ca-Fe, Al-Ca-Si, Al-Ca-Fe-Si, Al-Ca-Mn-Fe, Al-Ca-Sc-Zr-Mn-Fe и Al–Ca–Si–Zr–Sc. Построены изотермические и политермические разрезы. Подтверждено наличие тройных соединений Al11Mn2Ca и Al2CaSi2, а также установлено наличие ранее неизвестное тройное соединение, состав которого отвечает Al10CaFe2 . В связи с этим, было уточнено строение поверхностей ликвидус в системах Al-Ca-Fe и Al-Ca-Fe-Si. Во всех исследованных системах установлены границы появления первичных кристаллов, определены температуры и составы тройных/четверных эвтектик. В частности, в системе Al–Ca–Fe в твердом состоянии в алюминиевом углу присутствуют две трехфазные области (Al)+Al4Ca+Al10CaFe2 и (Al)+Al10CaFe2+Al3Fe. Сделано предположение о наличии двух нонвариантных реакций: эвтектической L-(Al)+Al4Ca+Al10CaFe2 и перитектической: L+Al3Fe-(Al)+ Al10CaFe2. В системе Al-Ca-Fe-Si эвтектика (Al)+Al4Ca+Al10CaFe2+Al2Si2Ca содержит около 6%Ca, 0,8%Fe, 0,6% Si, а температура составляет 613°С. Железо- и кремний содержащие фазы, входящие в состав этой четверной эвтектики имеют благоприятную морфологию, что предполагает положительное влияние на механические свойства. С помощью расчетных и экспериментальных методов построены фрагменты фазовой диаграммы Al–Ca–Si–Zr–Sc. Исследовано влияние соотношения между кальцием и кремнием при их постоянной сумме (6%) на упрочнение сплавов данной системы (при раздельном и совместном введении скандия и циркония). Показано, что максимум упрочнения, обусловленного выделением наночастиц фазы L12 (Al3Sc, Al3Zr, Al3(Zr,Sc)), достигается в сплавах, попадающих в фазовую область (Al)+Al4Ca+Al2Si2Ca, а в сплавах, попадающих в фазовую область (Al)+(Si)+Al2Si2Ca, упрочнение практически отсутствует. Установлено, что добавки циркония и скандия практически не влияют на фазовый состав сплавов на основе алюминиево-кальциевой эвтектики, но существенно повышают температуру ликвидус, что требует заметного повышения температуры литья. Установлено, что наилучшее сочетание упрочняющего эффекта и экономности легирования может быть реализовано при ~0.1%Sc и 0.2-0.25%Zr. При таких концентрациях разупрочнение происходит при нагреве свыше 450 0С (примерно на 100 0С выше, чем у сплавов, содержащих 0,3%Sc). Для всех многокомпонентных доэвтектических кальций-содержащих сплавов рассмотренной системы легирования характерен узкий интервал кристаллизации, что обеспечивает отличные литейные характеристики. Тонкое строение кальций-содержащей эвтектики обеспечивает хорошую технологичность при горячей и холодной прокатке, несмотря на высокую долю интерметаллидных фаз (до 30 об.%) Из сплавов Al6Ca1Fe и Al6Ca1Fe0,6Si литьем под давлением получены качественные отливки в виде стандартных образцов на растяжение. Согласно расчетам (по модели Sheil-Gulliver), в этих сплавах содержится около 90 масс.% тройной эвтектики, а интервал кристаллизации составляет около 10°С. Механические свойства этих сплавов находятся на уровне эвтектических силуминов: предел прочности около 200 МПа, предел текучести около 115 МПа, относительное удлинение около 2%. Структура изломов имеет вязкий характер. В сплаве реализуется два преимущества: узкий интервал кристаллизации и практически полное связывание железа и кремния в тройные соединения, входящие в состав алюминиево-кальциевой эвтектики. На примере сплавов Al6Ca1Fe и Al6Ca1Fe0.6Si продемонстрирована высокая технологичность алюминиево-кальциевых сплавов при литье под давлением. Отсутствие в их структуре первичных кристаллов и дисперсность эвтектики подтвердили предположение о смещении линий на фазовых диаграммах в сторону увеличения концентрации железа и кремния при увеличении скорости охлаждения. С помощью метода ПЭМ исследована тонкая структура сплава Al2Ca1Mn0,4Fe, отожженного при 4000Св течение 3 часов. Выявлено многофазное строение эвтектики в этом сплаве. Частицы алюминидов имеют компактную форму, а их толщина составляет около 100 нм. Расчет показал, что эвтектика кроме (Al) содержит следующие фазы Al4Ca, Al6(Fe,Mn) и Al3Fe в количествах 7,39 масс.%, 0,35 мас.% и 0.89 мас.% соответственно. С учетом того, что база TTAl5 не содержит тройных Ca-содержащих соединений (с железом и марганцем), сделано предположение о наличии фазы Al10CaFe2 вместо Al3Fe. Установлено, что по плотности и коррозионной стойкости экспериментальные композиции отобранных составов превосходят большинство промышленных литейных и деформируемых алюминиевых сплавов таких, как АК9ч, АК12ММгН, АД31, и другие. В частности, плотность сплава Al4Ca0,4Fe0,2Si0,7Mn составляет 2,602 г/см3, а самая низкая плотность среди исследованных промышленных сплавов (АК9М2) составляет 2,644 г/см3 . Наименьшая потеря массы при испытаниях на коррозионную стойкость наблюдалась у сплавов Al4Ca1Mn0,4Si0,15Fe (0,005%) и Al4Ca1Mn0,4Si0,15Fe (0,007%), а наиболее коррозионностойким промышленным сплавом оказался сплав АД0 (0,013%). Силумин АК8М3 оказался наименее коррозионностойким (1,155%). В целом все экспериментальные композиции рассмотренной системы легирования по коррозионной стойкости находятся на уровне технически чистого алюминия. Из сплавов оптимального состава получали горячекатаные и холоднокатаные листы со степенями деформации не менее 70%, определены их механические свойства, которые находятся на уровне используемых в промышленности сплавов средней прочности (типа АД31). Разработан технологический регламент получения отливок из сплава системы Al-Ca-Mn-Fe-Si-Zr-Sc №14-19-00632-П-1. Получено ноу-хау на «Способ получения фасонных отливок из алюминиево-кальциевого сплава». Разработан технологический регламент получения деформированных полуфабрикатов из сплава системы Al-Ca-Mn-Fe-Si-Zr-Sc №14-19-00632-П-1. Получено ноу-хау на «Способ получения тонколистового проката из алюминиево-кальциевого сплава». Расчетным методом (Thermo-Calc) построены фрагменты фазовых диаграмм систем Al-Ca-Zn-Mg-Fe и Al-Ca-Zn-Mg-Fe-Si, включая проекции ликвивидус и политермические разрезы. Показано, что элементы данных многокомпонентных системы сложным образом распределяюся между алюминиевым раствором и фазами(Al,Zn)4Ca, Al10CaFe2, Al2CaSi2,Al3Fe,Mg2Si, Al2Mg3Zn3 (Т) и MgZn2 (M). Выбрана область концентраций для разработки перспективных экономнолегированных высокопрочных кальций-содержащих сплавов: 6-10%Zn, 1-2%Ca, 2-3%Mg, 0,2-0,8%Fe, 0,2-0,8%Si.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
С помощью расчетных (Thermo-Calc) и экспериментальных (ОМ, СЭМ. ПЭМ, МРСА, ДСК и др.) методов изучен фазовый состав сплавов системы Al-Ca-Zn-Mg-Fe-Si при постоянном содержании магния (3 масс%) и переменных концентрациях цинка (до 12%), кальция (до 2%), железа (до 1%) и кремния (до 1%). Показано, что в данной системе в равновесии с алюминиевым твердым раствором –(Al) могут быть 7 фаз, содержащих Ca, Fe и Si: Al4Ca, Al10CaFe2, Al2CaSi2, Al3Fe, Al8Fe2Si, Al5FeSi и Mg2Si.Установлено сложное распределения элементов между этими фазами. Построены фрагменты фазовых диаграмм данных систем, включая поверхности ликвидус и солидус, изотермические и политермические разрезы. Проведены количественные оценки критических температур и долей фаз. Подтверждено наличие в кальций-содержащих сплавах тройных соединений Al10СaFe2 и Al2CaSi2, в которые могут быть полностью связаны примеси железа и кремния (вместо фаз Al3Fe и Mg2Si, образующих в сплавах без кальция). Расчетными и экспериментальными методами изучен характер кристаллизации сплавов данной многокомпонентной системы. Показано, что во всех сплавах с 1%Fe первоначально кристаллизуются интерметаллиды Al3Fe, поэтому концентрация этого элемента не должна превышать 0,7-0,8%. В этом случае на момент окончания затвердевания Zn-содержащие сплавы должны иметь одинаковый фазовый состав: (Al)+(Al,Zn)4Ca+Al10CaFe2+Al2CaSi2. Наилучшим вариантом является тот, когда после первичной кристаллизации (Al) протекает пятифазная эвтектическая реакция L→(Al)+(Al,Zn)4Ca+Al10CaFe2+Al2CaSi2. Установлено, что фаза Al10СaFe2¬ имеет благоприятную скелетообразную морфологию, схожую с морфологией известной фазы Al15(Fe,Mn)3Si2, которая часто присутствует в силуминах. Фаза Al10СaFe2¬, как и фаза (Al,Zn)4Ca проявляет способность к фрагментации и сфероидизации в процессе отжига при 500 оС и выше. Морфология фазы Al2CaSi2 более грубая, чем у Al10СaFe2¬, поэтому допустимая концентрация кремния должна быть меньше по сравнению с железом (в отличие от сплавов на основе системы Al–Ca–Mn). Изучены зависимости твердости отливок от температуры старения в диапазоне от 100 до 250 0С. Установлено, что упрочнение сплавов в процессе старения зависит не только содержания цинка, но и от соотношения между кальцием, железом и кремнием. Это обусловлено изменением состава алюминиевого твердого раствора при образовании разных фаз с участием этих элементов. Следствием этого является разное количество вторничных выделений. В частности, формирование фазы Al10CaFe2 позволяет уменьшить потерю цинка, которая обусловлена связыванием этого элемента в фазу (Al,Zn)4Ca. С использованием ПЭМ и РФА показано, что максимум твердости отвечает метастабильным выделениям фазы MgZn¬2 ('). Изучено раздельное и совместное влияние кальция, железа и кремния на структуру, технологичность (при литье и обработке давлением) и механические свойства модельного сплава Al-3%Mg-8%Zn. По совокупности полученных данных выбраны следующие концентрации: 1%Сa, 0,5%Fe 0,1%Si. Показано, что сплав с такими концентрациями имеет лучшие литейные свойства, чем сплав без кальция, при сопоставимом упрочнении и коррозионной стойкости. Экспериментальный сплав проявил хорошую технологичность при горячей и холодной прокатке. С помощью системы физического моделирования металлургических процессов Gleeble 3800 и моделирования процессов прокатки в программах DEFORM-3D и/или Q-FORM показано, что горячую прокатку целесообразно проводить при 420-450 0С. Установлена возможность получения в холоднокатаных листах временного сопротивления более 500 МПа (после закалки и старения). Рассмотрено влияние кальция (как раздельное, так и совместно с Fe и Si) на структуру гомогенизированных слитков модельного сплава. Показано, что наличие кальция позволяет избежать формирования зернограничных цепочек вторичных выделений Zn- и Mg-содержащих фаз в процессе охлаждения слитка. Данный эффект можно объяснить положительным влиянием Ca-содержащих фаз эвтектического происхождения, которые способствуют равномерному распределению вторичных выделений. Показано, что снижение концентраций цинка и магния до 5,5 и 1,5% соответственно позволяет получить в нетермообработанных отливках следующие механические свойства: σв=340 МПа, σ0,2= 210 МПа, δ=5%. Поскольку в марочных литейных сплавах (типа АК8л/357) такой уровень достигается только после полной термообработки (типа Т6), то кальций-содержащий сплав такого состава представляется перспективной альтернативой промышленным сплавам, поскольку его применение позволяет исключить термообработку (т.е. существенно упростить технологический цикл). Разработан технологический регламент получения отливок такого состава (AlZnCa-Л). Для получения деформированных полуфабрикатов рекомендован сплав, содержащий около 7%Zn, 2%Mg, 1%Ca, 0,5%Fe и до 0,2%Si (AlZnCa-Д). Разработан технологический регламент получения прутков из данного сплава методом радиально-сдвиговой прокатки (РСП), позволяющий получить следующие механические свойства σв=550 МПа, σ0,2= 450 МПа, δ=5%. Для опытно промышленного опробования был выбран деформированный сплав AlCaMn-Д. Из данного сплава на установке вертикального литья был получен слиток диаметром 150мм, а из данного слитка на установке РСП были получены прутки. Была подтверждена технологичность данного сплава и его механические свойства, ранее полученные (в 2017 г.) на лабораторных образцах. В условиях завода алюминиевых сплавов (АО ЗАС) показана возможность получения сплава AlCaMn на основе лома алюминиевых банок при минимальном дополнительном легировании. Использование вторичного сырья взамен первичного предполагает заметное снижение себестоимости производства сплава и, как следствие, изделий из него.. Среди возможных областей применений новых кальций-содержащих сплавов: автомобилестроение (диски колес, корпусные детали двигателя, двери, бамперы и др.), судостроение (в частности детали катеров), спортивные товары (детали велосипедов и самокатов), строительство.