Аннотация результатов, полученных в 2021 году
С использованием расчетных методов построены области фазовых диаграмм системы Al-Mg-Ca-Zn-Fe-Si-Mn и определены критические температуры исследуемых сплавов. Показано, что с увеличением содержания кальция снижается температура ликвидуса, а неравновесного солидуса не меняется, в результате чего уменьшается полный интервал кристаллизации. На примере сплавов тройной системы Al-Mg-Ca определено влияние кальция на форму и размеры неравновесной эвтектики. При совместном увеличении концентрации магния и кальция эвтектические колонии огрубляются и утолщаются. Проведение закалки позволяется практически полностью растворить фазу Al3Mg2, а равновесная двойная эвтектика (Al)+Al4Ca приобретает более фрагментированный вид. Согласно расчету, в сплаве Al6Mg2Ca2Zn в литом состоянии должна присутствовать фаза Т (Al2Mg3Zn3), которая не обнаруживается из-за растворения цинка в фазе Al4Ca. Также в четверной системе выявлено, что при содержании магния и кальция не менее 6 % и 2 % соответственно, в сплавах существует стабильная фаза Al2(Mg,Ca) наряду со стабильной Al4Ca с растворенным в последней цинком. Предложен вариант распределения фазовых областей в твердом состоянии в алюминиевом углу системы Al-Ca-Mg. Согласно этому варианту, магний растворяется в фазе Al2Ca, замещая до 70% атомов кальция, что делает возможным равновесие между этим интерметаллидом и алюминиевым твердым раствором. На примере сплава Al6Mg2Ca2Zn с добавками примесей Fe, Si, Mn была оценена структура. Показано, что в сплавах Al6Mg2Ca2Zn0,5Fe и Al6Mg2Ca2Zn0,5Fe0,5Si1Mn не происходит огрубления структуры, а в последнем на фоне эвтектики не выявляются первичные кристаллы фазы Al6Mn. Проведена оценка склонности разрабатываемых сплавов к образованию горячих трещин. Выявлено, что сплавы с содержанием кальция 2 и 4 % при 6 % Mg не уступают промышленному сплаву АМг10ч, а при добавлении цинка могут даже его превосходить в условиях, близких к производственным (температура литья не ниже 100 оС и температура формы 250-260 оС). На примере сплава Al10Mg4Ca показано, что не всегда уменьшение интервала кристаллизации и увеличение доли эвтектики приводит к улучшению горячеломкости. На примере сплавов АМг10ч и Al6Mg2Ca2Zn выявлено негативное влияние высоких температур литья на склонность к горячеломкости, что подтверждается также увеличением размера зерна от 190 мкм до 630 мкм в холодную форму, и от 570 мкм до 1,2 мм в горячую. Показано, что легирование малыми добавками титана сплава Al6Mg2Ca приводит к улучшению зеренной структуры, при этом показатели горячеломкости остаются на уровне сплавов Al6Mg2Ca и Al6Mg4Ca. Проведение коррозионных испытаний на потерю массы показало, что сплав Al6Mg2Ca2Zn в литом состоянии имеет схожую со сплавом АМг10ч (закаленное состояние) стойкость к межкристаллитной коррозии. Совместное увеличение кальция и магния приводит к ухудшению коррозионных свойств. При этом, ни в одном сплаве потеря массы не превысила 0,5 %.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. С использованием расчетных методов построены области фазовых диаграмм системы Al-Mg-Ca-Zn-Fe и определен качественный и количественный фазовый состав исследуемых сплавов, и их критические температуры. Показано, что до 0,7 % Fe в структуре должны отсутствовать первичные железистые фазы, при этом, общая доля вторых фаз составляет более 25 %. При концентрации железа 1 % кристаллизация начинается с соединения Al3Fe, а температура ликвидуса повышается с 611 до 640 оС. При этом расчеты не учитывают высокую растворимость цинка в фазе Al4Ca, что должно привести к недостатку цинка в (Al) и, соответственно, невозможности выделения из раствора фазы T. Таким образом, основной неравновесной фазой во всех сплавах будет Al3Mg2. 2. Показано, что во всех сплавах литая структура имеет благоприятное строение, на фоне которой отсутствуют явные первичные кристаллы вторых фаз с размерами более 50 мкм. Размеры дендритных ячеек алюминия имеют размер 20-30 мкм, а ветви эвтектики тонкие с размерами отдельных кристаллов до 10 мкм. Железосодержащие фазы включены в состав многофазной эвтектики, а присутствие кальция в этих фазах ниже ожидаемого, что говорит о малой доле тройного соединения Al10CaFe2 в составе сплавов. Карты распределения элементов (РЭ) в литом состоянии показывают, что магний и цинк равномерно распределены между алюминиевой матрицей и эвтектикой, причем цинка в эвтектике встречается больше, чем в (Al), что объясняется его высокой растворимостью в Al4Ca. В процессе анализа было выдвинуто предположение, что ожидаемая перитектическая реакция L + Al3Fe → (Al) + Al10CaFe2 практически не идет и количество фазы Al10CaFe2 в сплавах с 0,25 и 0,5 % Fe минимально. 3. В литой структуре сплава Al6Mg2Ca2Zn1Fe на фоне эвтектики выявляются грубые вееробразные кристаллы, форма и состав которых походят на фазу Al3Fe. Размеры идентифицированных кристаллов также малы и не превышают 15 мкм, что позволяет предположить их минимальное влияние на пластичность указанного сплава, полученного литьем со скоростью кристаллизации ~ 10 К/с. По количественному анализу можно отметить снижение концентраций магния и цинка в твердом растворе на основе алюминия. Это можно связать с тем, что из-за формирования фазы Al3Fe, кальций находится только в фазе Al4Ca, а не распределяется между ней и Al10CaFe2, что приводит к обеднению алюминиевой матрицы цинком. По значениям твердости и удельной электропроводности в литом состоянии исследуемые сплавы показывают схожие значения между собой и с базовым сплавом без железа. 4. Показано, что во всех сплавах, полученных охлаждением с печью, выявляются конгломераты из фаз, которые стехиометрически можно описать как: (AlZn)3Mg2 и (AlZn)2(MgCa), и которые имеют зачастую неявную границу раздела. Также отчетливо выделяются светлые скелетообразные кристаллы фазы (AlZn)4Ca, форма и размер которых в общем виде схож. Это соединение имеет точный состав и малое отклонение по гомогенности. Практически во всех сплавах было выявлено отсутствие протекания перитектической реакции: L + Al3Fe → (Al) + Al10CaFe2, что привело к наличию в структуре игл фазы Al3Fe. Только в сплаве, содержащем 0,25 % Fe, присутствовали веерообразные железосодержащие кристаллы смешанного состава, размер которых значительно отличался от подобных кристаллов двух других сплавов. 5. На примере сплава Al–2,5 % Ca–2,5 % Mg–1 % Mn–0,4 % Fe–0,1 % Sc–0,2 % Zr (Al2,5Ca2,5Mg) продемонстрирована принципиальная возможность получения из литых (негомогенизированных) слитков листового проката со свойствами термически упрочняемых сплавов типа АД35 (AlSi1MgMn) и 1915 (AlZn4.5Mg1.5Mn) без использования закалки. Экспериментальный сплав, несмотря на значительную долю фаз кристаллизационного происхождения, показал хорошую технологичность при горячей прокатке литого слитка, без выявления видимых дефектов. 6. Добавка кальция связывает железо в компактные включения (предположительно фазы Al10CaFe2), что благоприятно для механических и технологических свойств. При этом магний и марганец находятся в основном в ячейках (Al). Прокатка привела к существенному улучшению микроструктуры, поскольку эвтектические включения, содержащие Fe и Ca, приобрели компактную форму, а их распределение стало более однородным. При этом в процессе предварительного нагрева и прокатки произошло образование вторичных выделений фаз Al3(Zr,Sc) и Al6Mn. 7. Добавки циркония и скандия позволяют сформировать термически стабильные наночастицы фазы Al3(Zr,Sc)-L12 с размерами не более 10 нм, что благоприятно для сохранения в холоднокатаных листах частично нерекристаллизованной структуры при отжиге, как минимум, до 400 оС. В то же время вплоть до температуры 300 оС экспериментальный сплав демонстрировал потерю твердости не более 10 %. 8. В результате выполненного эксперимента радиально-сдвиговой прокатки сплава Al–2,5 % Ca–2,5 % Mg–1 % Mn–0,4 % Fe–0,1 % Sc–0,2 % Zr (Al2,5Ca2,5Mg) из исходного ицлиндрического слитка Ø43 мм удалось получить пруток Ø9 мм с наблюдаемым по всему сечению концевым дефектом. При этом прирост твердости в средней части прутка составил ~30 % по сравнению с исходной литой заготовкой. Также было определено различие твердости по сечению прутка от края к середине, что показывает принципиальную возможность реализации упрочнения методом радиально-сдвиговой прокатки. 9. Проведение коррозионных испытаний на потерю массы показало, что деформируемый сплав Al–2,5 % Ca–2,5 % Mg–1 % Mn–0,4 % Fe–0,1 % Sc–0,2 % Zr (Al2,5Ca2,5Mg) после прокатки теряет не более 1 % от массы исходного образца. Более высокие значения потери массы в сравнении с испытаниями за первый год проекта вероятно связаны с высоким содержанием примесей Mn и Fe. Проведенный участниками проекта большой цикл экспериментальных и теоретических исследований полностью соответствует задачам проекта № 21-79-00134 и позволяет говорить об успешном завершении второго этапа данного проекта. По итогам проекта было подготовлено 2 статьи для публикации в журналах, входящих в перечень цитирования Scopus и WoS: 1) Дорошенко В.В., Аксенов А.А., Мансуров Ю.Н. «Влияние примеси железа на структуру и фазовый состав сплава Al-6%Mg-2%Ca-2%Zn», «Цветные металлы». Получена справка о принятии к публикации 02.05.23. Ожидается публикация в выпуске №6. 2) Дорошенко В.В., Наумова Е.А., Аксенов А.А., Щербакова О.О., Финогеев А.С. «Структура и механические свойства листового проката сплава Al2,5Ca2,5Mg, легированного скандием и цирконием», «Физика металлов и металловедение». Получена справка о принятии к публикации 29.04.23. Ожидается публикация в выпуске №6. Также были поданы тезисы на конференцию «IV Международная школа-конференция «Перспективные высокоэнтропийные материалы»», 26-30 сентября 2022 г., Черноголовка, Московская область, Россия. Тема тезисов: «STUDY OF THE STRUCTURE OF AN ALLOY WITH CALCIUM BASED ON THE AL-MG-CA-ZN-FE-SI-MN MULTICOMPONENT».