Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Путем теоретических и экспериментальных исследований определены перспективные составы модельных сплавов, способные обеспечить структуру композиционного типа с бимодальным распределением частиц. Получена серия сплавов разного химического состава, определен фазовый состав, размер и объемная доля частиц в зависимости от химического состава сплавов и условий кристаллизации. Показано, что исследуемые сплавы обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью: лучший результат показывают сплавы с эрбием и марганцем, а сплавы с железом, никелем и церием имеют приемлемые свойства (результаты по сплаву с железом и никелем опубликованы в работе A.A.Kishchik A.V.Mikhaylovskaya, A.D.Kotov,O.V.Rofman,V.K.Portnoy Al-Mg-Fe-Ni based alloy for high strain rate superplastic forming Materials Science and Engineering: A 718 (2018) 190-197 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509318301308). Выявлены закономерности влияния состава сплавов и режима отжига литых заготовок на параметры частиц фаз нанометрических размеров и микронных размеров. Определены оптимальные режимы гомогенизационного отжига литых заготовок новых сплавов, обеспечивающие максимум твердости и наибольшую плотность дисперсоидов. Установлено, что как прерывистый распад, с образованием удлиненных ориентированных веерообразных выделений фазы Al3Zr/Al3(Er,Zr) со структурным типом L12, так и непрерывный распад, с образованием компактных наноразмерных дисперсоидов той же фазы, возможны в исследуемых сплавах. Прерывистый распад имеет меньший инкубационный период, так как контролируется ускоренной диффузией по границам зерен и связан с их миграцией, таким образом стержнеобразные когерентные выделения, образованные по прерывистому механизму, а также слабый упрочняющий эффект наблюдаются после кратковременной одноступенчатой обработки, типичной для алюминиевых сплавов. Показано, что в сплаве без эрбия механизм распада также меняется с прерывистого на непрерывный при переходе к двухступенчатой обработке. Веерообразные выделения не наблюдаются, и распределение дисперсоидов становится гомогенным. Предложены механизмы трансформации стержнеобразных выделений в компактные: стержнеобразные метастабильные выделения могут растворяться с последующим выделением по в компактной форме, и могут фрагментироваться и сферодизироваться, также трансформируясь в компактные выделения при высоких температурах или длительном времени выдержки (данные опубликованы в работе A.V. Mikhaylovskaya, A.G. Mochugovskiy, V.S. Levchenko, N.Yu. Tabachkova, W. Mufalo, V.K. Portnoy, Precipitation behavior of L12 Al3Zr phase in Al-Mg-Zr alloy, Materials Characterization, 139 (2018) 30-37 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580317330760 ). Показано, что инкубационный период непрерывного распада уменьшается при легировании эрбием, который становится катализатором процесса распада твердого раствора, благодаря повышенной диффузионной подвижности атомов эрбия в сравнении с цирконием. Непрерывный распад c образованием компактных частиц начинается раньше, а прерывистый распад сдерживается частицами, формирующимися гетерогенно по границам зерен и сдерживающими миграцию границ. Выявлены ориентированно образованные частицы той же фазы, которые разделяют границу прерывистого и непрерывного распада. Такие частицы, вероятно, образовались гетерогенно на высокоугловых границах, на начальных этапах отжига, еще перед началом прерывистого распада. При увеличении времени отжига, в результате различных релаксационных или рекристаллизационных процессов, граница зерна начинает движение, способствуя прерывистому распаду только на поздних стадиях. Отличительная особенность прерывистого распада в сплаве с эрбием – сохранение его признаков и после двухступенчатой выдержки, чего не наблюдали в сплаве без эрбия. Эта особенность связана с тем, что фаза Al3Er со структурным типом L12 является стабильной, тогда как фаза Al3Zr с тем же структурным типом является метастабильной, т.е. термодинамически менее стабильной. Показано, что увеличение температуры всесторонней изотермической осадки позволяет получить более однородную структуру сплавов с равномерным распределением частиц эвтектических фаз. С увеличением числа циклов частицы также более однородно распределены в матрице, их размер не меняется, исходных дендритных ячеек, следов литой структуры практически не наблюдается. По результатам анализа размера частиц и коэффициента формы в процессе всесторонней изотермической осадки и последующих отжигов и горячей прокатки показано, что эвтектические частицы второй фазы в процессе отжига сферодизируются, при этом, сохраняя относительно стабильный размер. После обработки сплавах с содержанием циркония менее 0.15% структура рекристаллизована, наименьшее рекристаллизованное зерно получено в сплаве с железом и никелем. При большем содержании циркония, дополнительном введении эрбия или скандия структура всегда остается нерекристаллизованной с зернами вытянутыми вдоль направления горячей прокатки. Моделированием методом конечных элементов деформационного поведения образцов, подвергаемых всесторонней изотермической осадке в условиях закрытого штампа показано существенное влияние трения между образцом и штампом на неравномерность распределения интенсивности пластической деформации в образце. Показано, что области с максимальной интенсивностью деформации на ранних стадиях штамповки смещены к верхней части образца, а минимальной деформации отвечает нижняя приконтактная зона. Влияние трения (f=0.2) приводит к образованию деформационного креста: максимальное значение интенсивности деформации достигается в центральной области образца и составляет 1.9, в нижней приконтактной зоне минимальное значение интенсивности деформации 0.06. Распределение интенсивности деформации при штамповке с меньшим трением более равномерно: максимальные и минимальные значения интенсивности деформации при коэффициенте трения f=0.05, составляют 1.43 и 0.32 соответственно. На примере стандартных сплавов проведена методическая работа по разработке методики нанесения методом ионного травления сеток на поверхность сплавов с разной структурой и отработка технологии определения вкладов разных механизмов сверхпластической деформации по образцам с нанесенными сетками. (результаты опубликованы в работе A.V.Mikhaylovskaya, O.A.Yakovtseva M.N.Sitkina, A.D.Kotov, A.V.Irzhak, S.V.Krymskiy, V.K.Portnoy Comparison between superplastic deformation mechanisms at primary and steady stages of the fine grain AA7475 aluminium alloy MSEA 718 (2018) 277-286 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509318301412 ). Для дальнейшего исследования можно считать перспективными сплавы с добавкой железа совместно с церием или никелем и эрбием, а в качестве дисперсоидообразующих элементов с добавкой циркония и эрбия. Использование многоступенчатой гомогенизации и изотермической осадки позволит ожидать в исследуемых сплавах с равномерно распределенными частицами дисперсоидов и микронных частиц получения ультрамелкозернистой структуры и заявленных повышенных механических свойств с высоскоростной сверхпластичностью. По материалам НИР в отчетном периоде опубликовано 3 научные статьи в высокорейтинговых научных журналах базы данных WOS (Q1), приняты к печати 2 статьи в журнале базы цитирования Scopus (Q3), сделано 2 устных доклада на тематической международной конференции EuroSPF 2017 и 2 стендовых доклада на конферкнции ПРОСТ 2018.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
По разработанным ранее и оптимизированным на текущем этапе режимам термомеханической обработки получены образцы новых алюминиевых сплавов со структурой композиционного типа. Посредством сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, световой микроскопии и анализа кинетических кривых твердости, температурных зависимостей внутреннего трения и механических испытаний на одноосное растяжение проведено исследование микроструктуры и свойств в исследуемых сплавах легированных дисперсоидообразующими и эвтектикообразющими элементами. Получены закономерности влияния параметров нано и микро-частиц вторых фаз на зеренную структуру экспериментальных сплавов, формирующуюся в процессе всесторонней изотермической ковки. Разработаны модели деформационного поведения образцов экспериментальных составов при всесторонней изотермической ковке, учитывающие влияние частиц вторых фаз на процессы упрочнения/разупрочнения при деформации. Показано, что в процессе всесторонней изотермической ковки по используемым режимам частицы дисперсоидов Mn-содержащих фаз принимают компактную форму благодаря интенсивной фрагментации и их средний размер не превышает 40 нм, а частицы Zr-содержащих L12 фаз практически не меняют размер (менее 15 нм), морфологию и сохраняют когерентность алюминиевой матрице. Сравнивая в сплавах с малой объемной долей микронных частиц микроструктуры сплавов с дисперсоидами Zr-cодержащих фаз и дисперсоидами Mn-содержащих фаз, можно заключить, что Zr-cодержащие фазы обеспечивают большую однородность зеренной структуры при всесторонней изотермической ковке и большую ее термическую стабильность за счет сдерживания роста зерна при динамической, постдинамической и статической рекристаллизации. С увеличением объемной доли эвтектических частиц микронных размеров при прочих равных структурных параметрах существенно уменьшается доля исходных нерекристаллизованных зерен, увеличивается однородность зеренной структуры и уменьшается средний размер зерна. Структура сплавов с 8% микронных эвтектических частиц является практически полностью рекристаллизованной, однородной и мелкозернистой с размерами зерен после всесторонней ковки менее 2 мкм, с суммарной степенью деформации 10.5, что означает, что микронные частицы обеспечивают ускорение зародышеобразования при рекристаллизации и вносят значительный эффект в формирование ультрамелкозернистой структуры. Таким образом, для наиболее однородной и термически стабильной структуры после всесторонней ковки необходимы сплавы с бимодальным распределением частиц вторых фаз, при этом наноразмерные когерентные дисперсоиды необходим для эффективного сдерживания динамической и статической рекристаллизации, а около 8% частиц вторых фаз микронных размеров необходимы для обеспечения динамической рекристаллизации из большого числа центров за счет явления стимулирования зарождения вблизи крупных недеформируемых/слабодеформируемых частиц. Бимодальное распределение частиц по размерам с фракцией наноразмерных и микронных частиц обеспечивает высокую однородность зеренной структуры при всесторонней изотермической ковке и последующих термомеханических обработках, что должно обеспечить повышенные механические свойства и показатели сверхпластичности сплавам. Исследованы механические свойства и зеренная структура, формирующаяся в процессе деформационно-термической обработки заготовок и ее эволюция в процессе в процессе нагрева в интервале температур 200 – 500 °С, для образцов подвергнутых прокатке или всесторонней осадке при температурах горячей деформации и последующей прокатке при температурах холодной деформации сплавов и конечной термической обработке. Результаты анализа твердости, температурных зависимостей внутреннего трения и микроструктуры показали, что использование двухступенчатого отжига обеспечивает повышение термической стабильности деформированной структуры по сравнению со стандартными одноступенчатыми режимами отжига в сплавах с Zr; холоднокатаные образцы, подвергнутые оптимальной гомогенизации, не рекристаллизуются при изотермическом отжиге до температур 480-520 °С. Оптимизация режима предварительной гомогенизации слитков обеспечивает в 1.5-2 раза более высокие показатели прочности листов по сравнению с одноступенчатыми режимами без потери пластичности. Показано, что в Mn-содержащих исследуемых сплавах при низкотемпературной гомогенизации образцов формируются компактные выделения квазикристаллической икосаэдрической фазы частично когерентные алюминиевой матрице, которые позволяют повысить термическую стабильность зеренной структуры при последующей термомеханической обработке. Показано, что в сплавах с бимодальным распределением частиц по размерам, эвтектические частицы фазы Al9FeNi/Al10CeFe2/Al20CeMn2 и удлиненные дисперсоиды Mn-содержащих фаз в исследуемых сплавах эффективно фрагментируются и сфероидизируются при простой термомеханической обработке, что позволяет благодаря формированию структуры оптимальной гетерогенности после подсолидусного рекристаллизационного отжига получить зерно средним размером менее 4 мкм. Определены композиции, которые при использовании всесторонней изотермической ковки при температуре 350 °С и суммарной степени деформации 10.5 и последующей прокатки демонстрируют предел прочности до 575 МПа, а относительное удлинение 11%, в случае криопрокатки, и предел прочности до 510 МПа и относительное удлинение 5% в случае прокатки при комнатной температуре. Исследуемые сплавы имеют высокую коррозионную стойкость. С целью оптимизации методики анализа механизмов сверхпластической деформации исследованы особенности сверхпластического течения и эволюции структуры поверхности с нанесенными маркерами в двух сплавах со структурой композиционного типа на устойчивой стадии сверхпластической деформации. Выявлены структурные особенности механизмов зернограничного скольжения, дислокационной и диффузионной ползучести на поверхности деформированных образцов. Показано, что при равном соотношении внутризеренной деформации и зернограничного скольжения, аккомодируемым диффузионной ползучестью и протеканию непрерывной динамической рекристаллизации сплавы способны к высокоскоростной сверхпластичности с низкой остаточной пористостью. Показано, что увеличенное содержание растворенного вещества может стать причиной улучшения сверхпластичности сплава в образцах при одинаковом размере зерна. Рекомендованы для дальнейшего исследования сплавы систем Al-Mg-Ni-Fe, Al-Mg-Ce-Fe, Al-Mg-Er (дополнительно легированные несколькими из следующих элементов Mn,Cr,Zr,Sc) в которых возможно достичь предела прочности более 450 МПа и относительного удлинения более 5%, а в рекристаллизованном состоянии термически стабильной зеренной структуры с размером зерна 2-5 мкм в листовых заготовках, что, ожидаемо обеспечит высокие показатели сверхпластичности разрабатываемым материалам, в том числе проявление высокоскоростной сверхпластичности. Получены листовые образцы новых перспективных сплавов для дальнейшего исследования. По результатам работы по проекту в отчетном периоде принято в печать и/или опубликовано 5 научных статей в высокорейтинговых научных журналах входящих в базы цитирования WOS и Scopus (в том числе, 3 статьи в журналах первого квартиля Q1 и 2 статьи в журнале второго квартиля Q2, рейтинг журналов за 2017 год), сделано 5 докладов на международных научных конференциях. В 2019 году под руководством Михайловской А.В. исполнителем проекта Яковцевой О.А. успешно защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, материалы диссертации включали результаты, выполненные по текущему проекту.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Для исследуемых сплавов на основе системы Al-Mg, отличающихся содержанием эвтектикобразующих элементов (Fe,Ni,Ce,Mn,Ca), долей эвтектических частиц (до 16%), параметрами дисперсоидов и зеренной структуры, проведен анализ деформационного поведения в широком температурно-скоростном интервале и разработаны математические модели деформационного поведения двух сплавов, изучена эволюция параметров микроструктуры и количественных значений вкладов межзеренной и внутризеренной деформации в общее удлинение при сверхпластической деформации с использованием поверхностных и внутренних маркеров, выявлены составы сплавов и режимы обработки, обеспечивающие им высокоскоростную сверхпластичность при малой остаточной пористости. Показано, что добавки Ce и Fe, образующие крупные частицы эвтектических фаз размером 0,2 -1,5 мкм, обеспечивают уменьшение среднего размера зерна в пять раз, благодаря стимулированию зарождения зерен и сдерживанию миграции границ зерен. Образцы демонстрируют сверхпластичность с показателем скоростной чувствительности m 0.30-0.55 при 0,001-0,01/с с удлинениями 200-300% что на уровене показателей сверхпластичности промышленного сплава ALNOVI-U используемого для высокоскоростной сверхпластической формовки (Mikhaylovskaya, A.V., Kishchik, A.A., Tabachkova, N.Y., Kotov, A.D., Cheverikin, V.V., Bazlov, A.I. (2020) JOM). При дополнительном легировании сплава Mn и Сr, в случае низкотемпературного отжига слитков формируются наноразмерные частицы метастабильной квазикристаллической икосаэдрической фазы средним размером около 40 нм, содержащие алюминий, марганец, железо и хром, что обеспечивает сплаву высокоскоростную сверхпластичность через влияние на размер рекристаллизованного зерна и его стабильность при сверхпластической деформации (Mikhaylovskaya, A.V., Kishchik, A.A., Kotov, A.D., Rofman, O.V., Tabachkova, N.Y. Materials Science and Engineering A, 760 (2019) 37-46), https://ria.ru/20191002/1559321813.html. После термомеханической обработки и подсолидусного отжига в сплавах с марганцем в качестве основного дисперсоидообразующего элемента при дополнительном легировании железом и никелем или железом и церием формируется рекристаллизованная структура, с размером зерна около 4 мкм, что обеспечивает способность к сверхпластической деформации с относительным удлинением 300-600% в интервале постоянных скоростей деформации 0,001-0,03/с, т.е. сплавы показывают в три-пять раз более высокие оптимальные скорости деформации и более высокое относительное удлинение по сравнению с известными сверхпластичными магналиями. В процессе сверхпластического течения происходит динамический рост зерен, при этом сверхпластическая деформация не оказывает влияния на параметры частиц фаз эвтектического происхождения, но приводит к огрублению дисперосоидов, расположенных по границам зерен. В магналиях с цирконием и эрбием сверхпластичность при повышенных скоростях 0,002-0,05/с с удлинением 250-500% достигается после двухступенчатой обработки слитков за счет высокой плотности L12-выделений фазы Al3(Er,Zr) со средним размером 7 нм, образованной по непрерывному механизму, при этом в присутствии эрбия существенно улучшаются показатели сверхпластичности сплавов. Благодаря нерекристаллизованной структуре формирующейся из-за наличия высокой плотности нанодисперсоидов цирконий-содержащих фаз L12 типа, динамически рекристаллизующейся в процессе высокоскоростной сверхпластической деформации в присутствии частиц эвтектического происхождения средним размером около 1 мкм сплавы демонстрируют удлинения, достигающие 350-600%, при скоростях деформации в интервале 0,01-0,1/с. Разработаны математические модели, описывающие деформационное поведение сплавов в широком интервале скоростей сверхпластической деформации; перекрестная проверка моделей подтвердила из высокую предсказуемость в немодельных условиях. Применение всесторонней изотермической ковки к сплавам с эрбием или скандием приводит к формированию однородной рекристаллизованной структуры, которая в сплаве со скандием сохраняется до повышенных температур и при высокоскоростной сверхпластической деформации и обеспечивает сверхпластичное состояние с удлинением 400-610% при скоростях деформации в интервале 0,01-0,1/с с показателем m более 0.5, что выше, чем у образцов сплава, полученных прокаткой. Образцы сплава с малой добавкой скандия (менее 0,1 масс. %), циркония (менее 0,25%), легированного железом и никелем (около 1 масс.% каждого), подвергнутые всесторонней изотермической ковке, имеют наибольшие значения предела текучести и прочности (450 МПа), после высокоскоростной сверхпластической деформации. Т.е., требуемый уровень свойств обеспечивает бимодальное распределение частиц вторых фаз с крупными, размером около 1 мкм, ускоряющими рекристаллизацию в процессе всесторонней изотермической ковки и сверхпластической деформации, и нанодисперсоидами L12 типа, сдерживающими рост зерен как в процессе термомеханической обработки, так и при сверхпластической деформации. В процессе деформации в исследованных сплавах развивается пористость, значения которой после деформации до разрушения при 300-600% не превышают 2%. Как результат, предел прочности большинства сплавов после сверхпластической деформации снижается менее чем на 10%, предел текучести менее чем на 15%, при сохранении свойственной магналиям повышенной пластичности при комнатной температуре. При этом, крупные частицы кристаллизационного происхождения не меняют морфологию и средний размер при сверхпластическом течении и не приводят к росту остаточной пористости, обеспечивая ускорение динамической рекристаллизации и существенное улучшение показателей сверхпластичности, с обеспечением эффекта при высоких скоростях Разработана методика исследования механизмов сверхпластической деформации, состоящая из нанесения методом ионного травления регулярных маркерных сеток и определения вкладов по изменению геометрии сетки, а также методика получения внутренних маркеров в виде частиц интерметаллидов и их использования для сравнения вклада зернограничного скольжения на поверхности и в объеме образца. Результаты подтвердили, что зернограничное скольжение в Al-Mg сплавах менее интенсивно, чем в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu, при соизмеримых межзеренных смещениях на поверхности и в теле образца (Yakovtseva, O., Tomas, A., Mikhaylovskaya, A. Materials Letters, 268, (2020)). В сплаве Al-Mg-Fe-Ni-Mn-Cr-Zr, сравнением вкладов действующих механизмов при температурах 460 и 540 °С и постоянной скорости деформации 0.01/c выявлено увеличение вклада зернограничного скольжения с 10-20% до 50% при уменьшении размера зерна с 8 до 2 мкм. При этом, с увеличением размера зерна увеличивается вклад внутризеренного дислокационного скольжения, а с увеличением температуры до подсолидусной происходит увеличение доли полосчатых зон, т.е. растет вклад диффузионной ползучести, при этом вклад действующих механизмов слабо зависит от степени деформации. Развиты физические модели формирования ультрамелкозернистой структуры новых сплавов и ее эволюции в зависимости от параметров структуры и температурно-скоростных и временных параметров деформационно-термической обработки и сверхпластического течения. Возможность высокоскоростной сверхпластичности напрямую зависят от параметров частиц вторых фаз и содержания магния. Проведена оценка вкладов каждого их факторов, определяющих величину предела текучести, полученные значения можно использовать для расчета ожидаемого предела текучести в разработанных сплавах в зависимости от структурных параметров. За отчетный период опубликовано 4 статьи в журналах WOS/Scopus (Q1 3 статьи, Q2 1 статья), сделано 2 устных доклада на международных научных конференциях (EuroSPF2019 и ICPNS2019) и под руководством Михайловской А.В. исполнителями проекта аспирантами Кищик М.С. и Мочуговским А.Г. по тематике проекта успешно защищены диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.