Аннотация результатов, полученных в 2021 году
- Для исходных заготовок был обоснован выбор размеров с точки зрения стабильности условий эксперимента и возможности промышленной реализации. Для сплава 01570 установлено, что для деформации способом РСП необходимо использование промышленного способа непрерывного литья, либо использование предварительно деформированной заготовки. Получены слитки и заготовки в горячедеформированном состоянии, для которых определены свойства, получены снимки микроструктуры и данные о фазовом составе. Структура слитка представляет собой достаточно равноосные зерна средним размером 80-100 мкм. Анализ микроструктуры и фазового состава (СЭМ) показал, что в процессе отжига Mg растворяется и равномерно распределяется в алюминиевой матрице. Частиц Sc содержащей фазы кристаллизационного происхождения также в структуре сплава не обнаружено, что говорит о его полном растворении в алюминиевой матрице в процессе отжига. Mn распределяется между алюминиевой матрицей и частицами нерастворимой Fe-содержащей фазы. Светлые включения, обнаруживаемые по границам дендритных ячеек насыщены Fe и Mn, что в присутствии Si указывает на наличие α(Al(FeMn)Si) фазы. По результатам анализа можно заключить, что данный сплав может быть подвержен деформационной обработке, однако высокие обжатия могут приводить к появлению микротрещин в литом состоянии. - Проведен анализ температурно-деформационных условий РСП сплава Al-6Mg-0,3Sc при варьировании коэффициента вытяжки за проход и скорости прокатки на основе МКЭ. На основании анализа траекторий истечения деформируемого металла в очаге деформации выявлены и описаны особенности процесса радиально-сдвиговой прокатки и их влияние на параметры формоизменения. Наличие внешней циклической зоны траекторного перемещения металла характеризует знакопеременный характер развития деформации и формирование наружного мелкодисперсного структурного слоя. Поверхностные слои характеризуются цикличностью изменения параметров температуры и напряжений, амплитуда которых зависит от управляемых технологических факторов (температура и скорость прокатки, режим обжатий, калибровка валка), а центральные слои подвержены монотонному изменению. Выявленные изменения температурного поля являются существенными для исследуемого сплава и при определенных условиях могут приводить к формированию различного вида структуры. Снижение температуры нагрева на 50 °С приводит к росту средней температуры прутка на 20 °С за счет деформации. При этом уменьшение диаметра прутка снижает эффект деформационного разогрева, и при определенном сочетании размеров заготовки и µ может быть практически устранен. При равномерном снижении температуры прокатки деформационный разогрев напротив увеличивается, что также отражает соответствие между размерами заготовки, коэффициентом вытяжки, скоростью прокатки и температурой прокатки. Частота вращения валков оказывает существенное влияние на температурное поле деформируемой заготовки с качественным переходом: при низких оборотах (15-30 об/мин) из очага деформации выходит пруток, температура центральной части которого выше температуры на поверхности. С увеличением частоты вращения валков до 60-120 об/мин формируется обратный перепад температуры между центром и поверхностью. - Разработаны режимы деформации сплава 01570 и получены образцы прутков Ø18 и 10 мм по различным режимам. Проведены исследования микроструктуры, субструктуры, фазового состава, механических и коррозионных свойств, которые позволили определить влияние параметров РСП на данные свойства. Получены данные о распределении твердости по сечению образцов. Увеличение суммарной степени обжатия приводит к увеличению твердости в области от поверхности до середины радиуса прутка, в то время как для осевой зоны (менее 1/2R) твердость практически не изменяется. С увеличением Σ обжатия и снижением температуры прокатки неравномерность твердости по сечению возрастает. Для прутков Ø18 мм значение ΔHV находится в диапазоне 7-15 %, а для Ø10 мм увеличивается до 12-22 %. Выявлены зависимости, с высокой степенью точности (R2=0,98), описывающие изменение неравномерности твердости и средней твердости по сечению прутка в зависимости от температуры прокатки и Σµ. Полученные уравнения возможно использовать для прогнозирования прочности прутков при изменении температурного и деформационного режима РСП. - Для образцов прутков из сплава Al-Mg-Sc определен уровень механических свойств. Наибольшую прочность (UTS~437 МПа, YS~359 МПа) имеют прутки, полученные при температуре 250 °С, что соответствует условиям теплой деформации, и соответственно большему упрочнению. При этом отн. удлинение δ снижается до 10-11 % относительно исходного 17 %. Самый низкий предел текучести ~300 МПа, но высокая пластичность (δ~16 %) получен для Т=400 °С. РСП при 300 °С привела к увеличению прочности до UTS~436 МПа, YS~350 МПа и сохранении δ на уровне 15,5 %. Увеличение частоты вращения валков до 90 об/мин (при Т=400 °С) не приводит к существенному изменению мех. свойств, что соотносится с измерениями твердости по сечению. Вариант режима при снижении Т от 400 до 200 °С показал промежуточный вариант значений мех. свойств: UTS~433 МПа и отн. удлинение около 14 % сопоставимы со свойствами, деформированных при 250 и 300 °С, а YS несколько снижается и не превышает в среднем 340 МПа. Некоторое снижение YS и δ объясняется низкой температурой деформации в последних двух проходах, которая в совокупности с подстуживанием поверхности прутка приводит к более значительному наклепу. По полученным данным возможно косвенно судить о степени упрочнения и изменениях толщины различных слоев прутка по сечению, отличающихся структурой. Определено линейное уравнение, которое позволяет описать связь средней твердости прутка и предела текучести, формирующихся после РСП при изменении допустимого температурного диапазона (250-400 °С). В рассматриваемых условиях предел текучести достаточно точно коррелирует с твердостью прутков после РСП, что позволяет быстро оценить прочностные свойства и спрогнозировать их при выборе температурного режима деформации. - Проведен сравнительный анализ механических свойств полуфабрикатов из сплава 01570, полученных различными способами ОМД. Полученные после РСП свойства по прочности превышают практически все рассмотренные для данного сплава способы деформации, включая холодную прокатку, и способы РКУП. При этом δ выше, чем при продольной прокатке, но уступает способам ИПД. Таким образом, способ РСП позволяет получить полуфабрикаты из сплава 01570, обладающих высокой прочностью и средней пластичностью, которая превышает требования нормативной документации для данного сплава. - Проведенные комплексные исследования и полученные результаты показали возможность промышленной реализации технологии получения длинномерных полуфабрикатов из алюминиевого сплава системы Al-Mg-Sc способом РСП. Уникальные особенности процесса РСП, заключающиеся в сочетании траекторно-скоростных и температурных условий циклической деформации, позволяют получать функционально-градиентную структуру, формированием которой возможно управлять за счет изменения технико-технологических факторов. В рамках реализации 1-го этапа проекта установлено влияние основных управляющих параметров РСП, таких как коэффициент вытяжки, количество циклов деформации, угол подачи, распределение температуры в очаге деформации на формирование структуры и свойств сплава Al-6Mg-0,3Sc. На основе выполненных работ установлены технологические рамки режимов деформации, которые могут быть использованы в промышленных условиях. Температурный и скоростной диапазон деформации зависит от выбранных обжатий и размеров проката. Важным условием является качественная исходная заготовка (литая или деформированная после гомогенизации), исключающая крупные нерастворимые частицы, ликвации, пористость, трещины и др. дефекты исходной структуры.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
- Был определен размерный диапазон исходных заготовок и конечных прутков после РСП. Выбраны и обоснованы диапазоны варьирования управляемых технологических параметров для сплава Al-Zn-Mg-Ni-Fe. - Сформулированы требования к исходной заготовке и ее подготовке. Анализ исходных заготовок показал, что полученная структура может быть деформирована. При этом исходные заготовки для РСП из исследуемого сплава не должны иметь литейных дефектов в виде пористости или крупных включений вторичных фаз. Заготовки могут быть получены способом полунепрерывного литья и гомогенизированы для получения равномерной структуры с частицами компактной формы. Также возможен вариант использования предварительно деформированной заготовки. Нагрев исходной заготовки перед РСП возможно совместить с гомогенизацией. - Определены технологические диапазоны для выбора оптимального соотношения параметров РСП. Для рассмотренных факторов температура прутка после РСП может быть как выше исходной, так и ниже, а при определенном подборе оставаться приблизительно равной исходной. Это позволяет эффективно управлять температурным полем заготовки в процессе деформации и в зависимости от требований к конечному полуфабрикату выбирать технологические параметры. Гибкое варьирование скорости и температуры нагрева заготовок в зависимости от их размеров может позволить более эффективно использовать деформационный разогрев в процессе прокатки. Использование высокой частоты вращения (100 и более об/мин) приводит к образованию поверхностных дефектов на прутках в виде отслоений и плен из-за локального перегрева и повышенного трения в зоне контакта. В то время как прокатка при низких скоростях (менее 20 об/мин) приводит к значительному снижению температуры поверхности из-за длительного контакта с валками и времени прокатки. Установлено, что деформация исходных слитков при низких температурах (менее 400 °С) с коэффициентом вытяжки более 1,5 может приводить к появлению трещин и пор на границах твердой фазы Al9FeNi или в местах остаточной пористости. Деформация предварительно прессованных заготовок, имеющих плотную структуру может быть реализована с коэффициентом вытяжки до 2,5 за проход. При этом необходимо учитывать деформационный разогрев и использовать пониженные скорости деформации в первых проходах. - Получены данные о влиянии параметров РСП на температурное поле, НДС, характер формоизменения, а также траектории течения сплава Al-Zn-Mg-Ni-Fe. Условия деформации и температурно-скоростные параметры влияют в большей степени на характер формирования напряжений, и градиент накопленной степени деформации по сечению. В зависимости от угла подачи валков и коэффициента вытяжки возможно получение разного соотношения градиентной структуры заготовки. Увеличение угла подачи и коэффициента вытяжки при прочих равных будет способствовать формированию меньшей зоны строчечной структуры. Варьирование управляющих параметров в большей степени влияет на изменения накопленной степени деформации в поверхностных слоях, характеризующихся локализацией воздействия со стороны рабочих валков. Согласно полученным данным температура прокатки оказывает существенное влияние на кинематическую картину формоизменения металла и, в первую очередь, скоростные параметры, конфигурацию и длину траекторий. С понижением температуры уменьшается скорость движения металла, причем неодинаково для различных компонентов. Наибольшее снижение отмечается для осевой составляющей скорости. Эти изменения обусловлены влиянием температуры на скольжение металла относительно поверхности валков в зоне контактного взаимодействия. В результате скольжения на контакте происходит отклонение направления движения металла на выходе из очага деформации, которое характеризуется углом подъёма винтовой траектории, от направления вектора окружной скорости валков, определяемого углом подачи (https://doi.org/10.3390/ma15207202). - Выполнен анализ морфологии частиц фаз после деформации и определено влияние режима РСП на их изменение. Сплав Al-8,6Zn-1,6Mg-0,45Fe-0,45Ni после РСП представлен частицами фаз MgZn2 и Al9FeNi. Снижение температуры обработки приводит к увеличению количества частиц, которые являются в первую очередь кристаллами фазы MgZn2. Обработка при более высокой температуре (450 °С) приводит к растворению Zn и Mg в алюминиевой матрице, что обеспечивает высокое твердорастворное упрочнение матрицы и равномерное распределение твердости. Частицы присутствующих в сплаве фаз имеют округлую форму, близкую к сферической благодаря интенсивной деформации, в особенности в поверхностной области прутка. Экспериментально подтверждено, что после проведения закалки и старения кристаллы фаз MgZn2 полностью растворяются в алюминиевой матрице. При этом оставшиеся кристаллы фазы Al9FeNi имеют более дисперсное строение при более низкой температуре обработки 320 °С. С точки зрения получения более высокого уровня твердорастворного упрочнения и равномерного распределения свойств, необходим нагрев сплава Al-Zn-Mg-Ni-Fe до температуры 450-460 °С и промежуточные подогревы между проходами при снижении температуры ниже 420 °С. При многопроходной схеме прокатки возможен вариант начала деформации при более низких температурах, что обеспечит более интенсивное дробление частиц фаз в исходной заготовке, и окончание прокатки при более высоких температурах для твердорастворного упрочнения и реализации закалки с прокатного нагрева. - Установлено влияние температурно-скоростных и деформационных параметров на формирование прочностных и пластических свойств. Проведенные испытания полученных прутков на одноосное растяжение показали, что уровень механических свойств существенно зависит от режимов деформации РСП. Наибольшие значения предела прочности после РСП получены для образцов, деформированных при 450 °С. Деформация при Т менее 400 °С не обеспечивает растворения частиц упрочняющей фазы MgZn2, что и приводит к снижению прочности. Прочностные свойства прутков после РСП в полной мере коррелируют с полученными картинами распределения твердости по сечению прутков и анализом изменения температурного поля на основе МКЭ моделирования. Уровень полученных мех. св-в для рассматриваемого экономнолегированного сплава системы Al-Zn-Mg-Ni-Fe сопоставим с другими высокопрочными сплавами серии 7ххх. Предел текучести после РСП и последующей термообработки составляет ~490 МПа, что значительно выше, чем у аналогов. При этом полученный предел прочности 517 МПа и относительное удлинение ~7-8 % находится приблизительно на том же уровне, что и у сплава 7049 и сплава 7075 после прессования и ТО по режиму Т1. Полученные данные говорят о высокой эффективности метода управляемой термопластической деформации методом РСП для повышения механических свойств сплавов. - предложены новые принципы для промышленно реализуемой технологии получения длинномерных прутков из новых алюминиевых сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Ni-Fe. Разработаны, аналитически и экспериментально обоснованы режимы деформации, согласно которым получены образцы прутков из исследуемого сплава с высоким уровнем механических свойств. Для данного способа основными управляющими технологическими параметрами термопластической деформации являются температура нагрева под прокатку, скорость вращения валков (скорость деформации), величина обжатия и угол подачи рабочих валков, определяющий управляемое траекторное течение в очаге деформации и количество циклов деформации. Полученные результаты позволяют эффективно управлять процессами формирования температурного поля по сечению прутка, а также задавать деформационные режимы, что дает возможность получения различного структурно-фазового состояния и определяет комплекс механических свойств конечного проката.