Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В результате выполненных за первый год работ с использованием расчетно-экспериментальных методов дана качественная и количественная оценка влияния микродобавок Sn и In на фазовый состав, структуру и физико-механические свойства алюминиевых сплавов на основе системы Al-Si-Cu. В частности, с использованием программного комплекса Thermo-Calc проведен теоретический анализ влияния химического состава на фазовые равновесия в соответствующих многокомпонентных системах Al-Si-Cu(-In, Sn). Получены результаты в виде политермических разрезов, а также кривые кристаллизации, рассчитанные по модели Scheil-Gulliver. С использованием полученных данных установлена последовательность фазовых превращений в процессе равновесной и неравновесной кристаллизации сплавов при различном содержании легирующих элементов: (0-1) масс.% In или Sn; (0-11,5) масс.% Si; (1,5-11,5) масс.% Cu. Установлены критические температуры и предельно допустимые концентрации легирующих элементов для перспективных сплавов систем Al-Si-Cu(-In, Sn). Проведена количественная оценка изменения массовой доли продуктов распада алюминиевого твердого раствора, формирование которых следует ожидать в процессе старения. Показано изменение доли основных вторичных выделений стабильной (Al2Cu(θ)-фазы) и метастабильных фаз (θ′′ и θ′) при изменении температуры старения в интервале 150-200 °С и при концентрациях меди в интервале 1,5-3,5 масс.%. На основе полученных расчетных данных выбраны составы экспериментальных сплавов и предполагаемые режимы их термообработки. В качестве объектов исследований выбраны 9 сплавов, которые отличаются постоянных содержанием кремния (~8 масс.%), при трех фиксированных концентрациях меди: нижний предел (1,5 масс.%), средний (2,5 масс.%) и верхний предел (3,5 масс.%). Для каждого из базовых сплавов рассмотрено раздельное влияние 0,1 масс.% добавки олова или индия. С использованием методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) установлено влияние малых добавок на микроструктуру сплавов в литом состоянии и после высокотемпературного отжига. Показано, что в сплавах с малым содержанием кремния (или без кремния), малые добавки олова или индия действуют как эффективные агенты для модифицирования литой структуры неравновесной эвтектической фазы Al2Cu, которая изменяет свою морфологию с грубой дендритной на мелкодисперсную сферическую. Кроме того, показано, что для всех сплавов включения олова или индия формироваться в непосредственном контакте с эвтектическими включениями Al2Cu и Si фаз при практически полном отсутствии выделений в алюминиевой матрице. Получен значительный массив экспериментальных данных, включающий параллельный анализ изменения твердости (HV) и удельной электропроводности (УЭП, МСм/м) в процессе изотермического старения всех изучаемых сплавов в интервале температур 145-250 °С и выдержках до 60 ч. По результатам проведенных исследований установлено влияние режимов старения и химического состава сплавов на эффект дисперсионного твердения и кинетику старения. Полученные результаты позволяют надежно утверждать об исключительной эффективности рассмотренных добавок олова и индия для повышения твердости и прочности сплавов. В частности, в зависимости от содержания меди в составе сплава, повышение максимальной твердости в сплаве с добавками составляет 20-50 %. Кроме того, заметны значительные различия в кинетике процессов старения для базового и легированного малыми добавками сплавов, что также хорошо отражается результатами анализа удельной электропроводности (УЭП). Более высокая УЭП сплавов с малой добавкой указывает на более полный распад алюминиевого твердого раствора. Оценка термостойкости в процессе изотермического отжига при 250 °С сплавов Al-8Si-(1,5-3,5)Cu-(0,1Sn, In), предварительно состаренных на максимальную твердость, выявила существенное преимущество сплавов с малыми добавками. Для анализа тонкой структуры сплавов проведены работы с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ) и атомно-зондовой томографии (АЗТ). Объектами исследований выбраны сплавы группы Al-8Si-3,5Cu(-Sn, In), для которых проводили исследования в различных структурных состояниях. В частности, всего было подвергнуто исследованиям более 20 оригинальных состояний. Полученные результаты позволили проследить эволюцию наноструктуры сплавов на протяжении всего процесса формирования и последующей деградации упрочняющих частиц θ'-фаза. Наблюдается формирование при старении равномерно распределенных выделений дискообразной формы, которые принадлежат метастабильной θ′-фазе. Однако плотность выделений в сплавах, содержащих In и Sn, по меньшей мере в два раза выше, чем в соответствующих сплавах без малых добавок, в то время как линейный размер выделений значительно меньше. Показано, что выделения имеют длину (диаметр) 150-350 нм и толщину 5-10 нм в сплаве без добавок и до 50-100 нм в длину и 3-5 нм толщину в сплавах с малой добавкой. Таким образом, малая добавка In или Sn приводит как к общему измельчению структуры продуктов распада, так и к увеличению плотности выделений в единице объема. Показано, что на ряду с основными продуктами распада, в структуре сплавов с малыми добавками присутствуют также сферические наночастицы, находящиеся в непосредственном контакте с пластинками θ'-фазы. С использованием метода атомно-зондовой томографии установлена предельная растворимость олова (~ 0,04 ат.% (0,09 масc.%)) и индия (~ 0,01 ат.% (0,04 масc.%)) в сплавах системы Al-8Si-3,5Cu(-In, Sn). Кроме того, получен значительный массив экспериментальных данных, включающий информацию о распределении легирующих элементов в структуре сплава, химическом составе присутствующих фаз, их размере и количестве в единице объема. Всего методом АЗТ изучено 12 состояний. Высокотемпературные испытания на сжатие сплавов Al8Si3,5Cu, Al8Si3,5Cu0,1In и Al8Si3,5Cu0,1Sn при температурах 250, 300 и 350 °С выявили существенное преимущество в прочности сплавов с малой добавкой. В частности, предел текучести у сплава с индием и оловом оказался примерно в полтора раза выше, чем у базового сплава Al8Si3,5Cu, являющегося основой для промышленных литейных алюминиевых сплавов типа А319. Кроме того, показано, что новые сплавы также существенно превосходят по высокотемпературной прочности экспериментальные эвтектические сплавы на основе систем Al-РЗМ, Al-Ni(-Fe, Mn), в структуре которых присутствует значительное количество нерастворимых интерметаллидных соединений кристаллизационного происхождения. Испытания на одноосное растяжение стандартных цилиндрических образцов изучаемых сплавов Al-8Si-(1,5-3,5)Cu-(In, Sn) в состоянии максимального упрочнения после старения выявили существенное преимущества в уровне прочности сплавов с малыми добавками. В частности, в зависимости от состава сплава, наблюдаемое повышение предела текучести составило от 35 до 100 %. Для наиболее легированного сплава Al-8Si-3,5Cu добавление 0,1 масс.% In или Sn приводит к достижению прочностных свойств (предел текучести 330-360 МПа, предел прочности 390-402 МПа), существенно превосходящих любые марочные отечественного или зарубежные силумины (типа А356 или А319).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате выполненных работ проведен комплексный анализ влияния меди как основного легирующего компонента в высокопрочных и жаропрочных алюминиевых сплавов 2xxx серии на физико-механические свойства новой группы деформируемых алюминиевых сплавов, содержащих малые добавки элементов Sn, In, Mn, Mg в различном их сочетании. На начальном этапе с использованием термодинамических расчетов, выполненных в программе Thermo-Calc, произведен анализ фазовых равновесий в соответствующих системах и сплавах при их кристаллизации и последующей термической обработке. На основе расчетных данных были выбраны составы экспериментальных сплавов, отличающиеся содержанием меди от 1,5 до 5,0 масс.%, при различном сочетании малых добавок: Sn, In, Mn, Mg. В общей сложности было приготовлено и подвергнуто экспериментальным исследованиям не менее 40 различных составов сплавов. Для полученных сплавов на различных этапах термической и термомеханической обработки проведены комплексные исследования структуры и фазового состава с использованием современных методов сканирующей (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а также атомно-зондовой томографии (АЗТ). Для экспериментальных сплавов, полученных в виде слитков и деформированных пластин, строились кинетические кривые старения по изменению микротвердости и удельной электропроводности (УЭП) в процессе изотермической старения в интервале температур 145-250 °С и выдержкой до 100 ч. С использованием полученных данных установлен значительный эффект упрочнения для сплавов с малыми добавками в сравнении с базовыми сплавами. В частности, показано, что в зависимости от состава сплава и температуры старения твердость сплавов с малыми добавками легкоплавких элементов превышает твердость базовых сплавов без малых добавок на 15-50 %. Так исследования показали, что пиковая твердость при оптимальном режиме старения сплавов содержащих ~3,5 масс.% Cu с малыми добавками Sn и In, полученные как в виде слитков, так и деформированных образцов, превышает твердость базовых сплавов на 23 % (~130 HV против ~105 HV)). Следует также отметить, что пиковая твердость для этих сплавов достигается за ~2-4 ч. старения при 175 °С в сравнении с ~12-16 ч. для базового сплава и ~8 ч. для марочного сплава типа 2024 (Д16). Достигнутый уровень упрочнения для данной группы сплавов практически соответствует максимальному упрочнению для сплавов типа 2024 после полного цикла термомеханической обработки. Максимальное упрочнение, сопоставимое с таковым для наиболее высокопрочных марочных сплавов 7xxx, было зафиксировано для наиболее легированных сплавов, содержащих до 5 масс.% меди. Следует отметить, что достигнутый уровень упрочнения для новых сплавов Al-5Cu(-Sn, In, Mn) также соответствует упрочнению в американских марочных сплавах типа 2039 (Al–5,0Cu–0,6Mg–0,38Ag–0,38Mn–0,18Zr) и 2040 (Al–5,1Cu–0,9Mg–0,55Ag–0,68Mn–0,11Zr–0,0001 Be). Однако очевидными недостатками данных марочных сплавов является необходимость в содержании значительного количества драгоценного металла (Ag). На примере одного из модельных сплавов Al4Cu1,5Mn(-Sn), подвергнутого полному циклу термомеханической обработки, включающей деформацию и упрочняющую термическую обработку, показано, что новая группа сплавов обладает как высоким прочностными свойствами при испытаниях на растяжение, так и высокой пластичностью (относительное удлинение ~10 %). Исследования показали, что совместное легирование малыми добавками магния и легкоплавких составляющих (Sn, In) в сплавах Al-Cu является малоэффективным. Наблюдаемое упрочнение при старении сплавов Al-Cu-Mg без Sn и In оказалось близко к таковому для сплавов с добавками легкоплавких элементов. При этом при фактическом содержании меди в сплавах ~4,5 масс.%, уровень упрочнения оказался близким к сплавам группы Al3,5Cu(Sn, In). Ряд сплавов группы Al5Cu(-Mn, Sn, In), полученных в виде деформированных пластин, в состоянии максимального упрочнения после старения подвергались изотермическому отжигу при температуре в интервале 250-350 °С в сравнении с базовыми сплавами Al5CuMn (сплавы типа 2219) и сплавом типа Д16 для оценки их термостойкости по изменению микротвердости. Результаты исследований выявили, что сплавы группы Al5CuMnSn обладают заметно более высокой термостойкость, чем прочие изученные сплавы. Для наиболее перспективного модельного сплава на базе Al5CuMnSn были проведены сравнительные испытания на высокотемпературное сжатие при 250 °С, 300 °С и 350 °С с использованием комплекса физического моделирования Gleeble System 3000. Для получения сравнительных данных аналогичные испытания производились и для сплава типа 2024 (Д16). Для обоих исследуемых сплавов испытания производились в состоянии максимальной твердости после старения. Полученные результаты выявили, что характеристики прочности при повышенной температуре для нового сплава выше, чем у сплава типа Д16 во всем температурном диапазоне, а величина разницы составляет от 17 до 34 %. Отдельная и существенная часть выполненных работ была посвящена изучению влияния механизмов упрочнения в сплавах с легкоплавкой составляющей. Для этой цели был проведен комплекс исследований с использованием методов просвечивающее электронной микроскопии (ПЭМ) и атомно-зондовой томографии (АЗТ). Сплавы изучались на различных этапах эволюции структуры при старении. Получен большой массив экспериментальных данных, содержащий информацию о фазовом составе продуктов старения, их плотности распределения, химическом составе, геометрических размерах, химическом составе на межфазной границе матрица/частица. Полученные результаты позволили предположить механизмы влияния малых добавок легкоплавкой составляющей на существенное измельчение и повышение плотности распределения упрочняющих частиц θ′ фазы. Часть выдвинутой концепции была представлена в опубликованной статье Materials Science and Engineering A 831:142329 (https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142329), а также готовится в настоящий момент к публикации в других ведущих изданиях. В работе также предпринята попытка совмещения алюминиевой матрицы Al-Cu(-Sn) и эвтектической составляющей, образованной добавкой кальция Ca, для разработки новой группы сплавов взамен наиболее жаропрочным деформируемым алюминиевым сплавам типа АК4-1 и АК4 (американские аналоги сплавы типа 2618, 2031), совмещающие Al-Cu-Mg матрицу и эвтектикообразующие добавки Ni и Fe. Известен также американский марочный сплав RR350, совмещающий матрицу Al-Cu(-Mn), а также Ni в качестве эвтектикообразующей добавки. Замена никеля на кальций предполагает очевидные преимущества такого сплава по целому ряду характеристик. Исходя из расчетных данных, выполненных в программе Thermo-Calc, были выбраны и изучены ряд экспериментальных сплавов на базе системы Al-Cu-Ca(-Sn). Исследования показали низкую склонность сплавов данной группы к дисперсионному упрочнению. Предварительные исследования системы Al-Cu-Ca выявили, что последнее обстоятельство связано с образованием в данной системе ряда ранее не описанных промежуточных тройных соединений (AlCuCa), снижающих концентрацию меди в твердом растворе. Однако в последующем путем оптимизации составов сплавов более сложных систем, удалось достичь заданной цели. Был предложен новый сплав, продемонстрировавший приемлемую эвтектическую структуру в слитке и схожий уровень упрочнения при старении и термическую стабильность твердости в процессе высокотемпературного отжига (250-350 °С) с матричным сплавом Al-5Cu-0,1Sn. Таким образом, полученный новый материал представляет значительную перспективность для последующей оптимизации его состава, а также режимов термомеханической обработки с последующим анализом комплекса свойств.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате работ за третий этап выполнения проекта проведены комплексные исследования и получены результаты по влиянию различных комбинированных режимов термомеханической обработки (ТМО) на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства новых высокопрочных деформируемых сплавов на базе Al – (1,5-5) % Cu – (0,2-1,0) % Mn –Si – 0,1 % Sn. Для наиболее перспективных сплавов проведены прецизионные исследования структуры и фазового состава с использованием методов атомно-зондовой томографии (АЗТ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). На основе полученных данных установлены оптимальные концентрационные диапазоны легирования малой добавкой олова для достижения сбалансированного уровня технологических и механических свойств деформируемых сплавов. Проведено уточнение и предложены механизму влияния малой добавки на эффект модифицирования дисперсионной структуры и повышения упрочнения при старении Al-Cu сплавов. Для группы сплавов Al – 5,5 % Cu –Mn –Si –(0-0,1) % Sn, полученных в виде деформируемых полуфабрикатов, изучено влияния высокотемпературного старения в интервале при 250 °С и 300 °С на упрочнение и термостойкость. Показано, что в отличие от базовых сплавов, не содержащих малую добавку легкоплавкого элемента Sn, новые сплавы с добавкой проявляют высокую склонность к упрочнению даже при температуре старения 300 °С. Так базовый сплав Al-5,5Cu-Mn практически не проявляет склонности к упрочнению при старении при 300 °С (твердость повысилась с 90 до 97 HV), тогда как упрочнение в сплаве с добавкой олова составило примерно 43 % (с 80 до 115 HV). Последующие длительные выдержки при повышенных температурах приводят к плавному снижению твердости у всех изученных сплавов, однако твердость сплава с малой добавкой при определенном сочетании с другими изученными малыми добавками обеспечивает стабилизацию твердости на существенно более высоких значениях. Испытания на одноосное растяжение изучаемых сплавов Al – 5 % Cu –Mn –Si –(0- 0,1) % Sn, полученных в виде деформированных полуфабрикатов и подвергнутых термической обработке по различным режимам, выявили существенные преимущества в сравнении с базовыми (без микродобавки) и марочными сплавами типа 2219. В частности, показано, что в состоянии максимального упрочнения при комнатной температуре предел текучести нового сплава с добавкой более чем на 30 % превосходит аналогичную характеристику для промышленного сплава. При этом относительные удлинения как новых сплавов, так и промышленных или базовых находятся примерно на одном уровне (~11-13 %). Таким образом, малая добавка олова позволяет существенно повысить прочность материала без снижения пластичности. Испытания на одноосное растяжение при повышенных температурах 250 °С и 300 °С деформированных сплавов выявили преимущества новых Al – 5 % Cu –Mn –Si –(0- 0,1) % Sn сплавов на уровне 10-30 % в сравнении со сплавом без малой добавки Sn, а также на уровне 14 % в сравнении с марочным сплавом 2219 с малыми добавками переходных металлов Zr, Ti, V. Таким образом, новые сплавы оставляют значительный потенциал для дальнейшего повышения жаропрочности при легировании малорастворимыми дисперсоидообразующими добавками. Изучение принципиально новой группы сплавов на базе Al-Cu-Ca-Si, отличающейся наличием кальцийсодержащей эвтектики, показало достаточную перспективность новых сплавов как в литейном исполнении, так и в виде деформированных полуфабрикатов для их дальнейшего изучения. Показано, что новая группа сплавов отличается удачным сочетанием технологических и механических свойств. Так по показателю горячеломкости сплавовы на базе Al-Cu-Ca-Si существенно превосходит литейный сплав типа АЛ5, при этом как в литейном исполнении, так и в виде деформированных полуфабрикатов прочнсотные свойства сопоставимы с прочностными свойствами высокопрочных сплавов типа Al – 5 % Cu –Mn –Si –(0- 0,1) % Sn. Основные результаты работы представлены в публикациях: Journal of Materials Science (2023) https://doi.org/10.1007/s10853-023-08513-4 и Journal of Alloys and Compounds 921(2019):166109 DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.166109.