Аннотация результатов, полученных в 2022 году
С использованием расчетных и экспериментальных методов обоснован состав сплавов на основе систем Al–Zn–Mg–Ni–Fe и Al–Zn–Mg–Ca–Fe и технология получения из них длинномерных заготовок методом литья в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК). С использование программных продуктов ANSYS Fluent и "Used-Defined Function» выполнена постановка задачи моделирования и соответствующая настройка численной модели на выполнение поисковых расчетов режимов литья слитков диаметром до 32 мм. Найдена совокупность технологических параметров, обеспечивающих стабильное формирование алюминиевого слитка с достижением максимальной производительности, Выполнен анализ специальных параметров настройки модели, не имеющих справочных значений или точных рекомендаций по их выбору, а именно, коэффициента двухфазной зоны и интервала кристаллизации. Выполнен анализ влияния изменения технологических параметров в узком диапазоне и показан характер соответствующих изменений в физических процессах, протекающих в жидкой фазе слитка и в процессе его кристаллизации. Проведен расчет фазового состава сплавов систем Al–Zn–Mg–Ni–Fe–Si и Al–Zn–Mg–Ca–Fe–Si в программе Thermo-Calc (версия TCW5) при использовании база данных TTAL5. Согласно распределению элементов между фазами в сплавах системы Al-Zn-Mg-Ni-Fe-Si, практически все элементы рассматриваемой системы могут входить в разные фазы. В частности, железо может входить в фазы Al3Fe, Al9FeNi, Al8FeSi2, Al5FeSi. Из перечисленных фаз желательной является фаза Al9FeNi. Не менее сложное распределению элементов между фазами установлено и для сплавов системы Al-Zn-Mg-Ca-Fe-Si. Согласно ему железо может входить в состав 4 фаз: Al3Fe, Al10CaFe2, Al8FeSi2, Al5FeSi. При этом в отличие от первой системы в данной системе имеется тройное соединение, содержащее Ca и Si: Al2CaSi2. Общим между двумя рассматриваемыми системами является то, что вторичные выделения (а именно они должны вносить основной вклад в упрочнение сплава после полной термической обработки) представлены только двумя фазами, содержащими цинк и магний: T (Al2Mg3Zn3) и M (MgZn2), а точнее их метастабильными модификациями. Количество этих фаз зависит главными образом от соотношения Zn и Mg. Расчет поверхностей ликвидуса, политермических и изотермических сечений, а также состава фаз и температур фазовых превращений подтверждает сложность фазового состава сплавов рассматриваемых 6-компонентных систем. Неравновесная кристаллизация приводит к изменению фазового состава по сравнению с равновесным. Однако при всей сложности формирования фаз в процессе кристаллизации, ее окончание во всех сплавах рассматриваемых систем легирования определяется неравновесной эвтектикой при 482 °С. Обобщение результатов расчета позволило обосновать состав экспериментальных сплавов: Al–7,1%Zn–2,8%Mg–1,4%Ni–1,1%Fe и Al–8,7%Zn–3,6%Mg–1,1%Ca–1,1%Fe (мас.%) (далее Никалин и Альцимак соответственно).Концентрации цинка и магния в данных сплавах близки к их предельной растворимости в алюминиевом твердом растворе. При этом учитывали растворимость цинка в фазе Al4Caв сплаве Альцимак. Концентрации никеля и кальция должны полностью связать железо в тройные соединения: Al9FeNi в сплаве Никалин и Al10CaFe2,в сплаве Альцимак. Определены технологические параметры литья слитков и выработаны рекомендации по подготовке и проведению процесса литья в электромагнитный кристаллизатор слитков диаметром до 32 мм. Процесс литья сплавов Никалин и Альцимак прошел в штатном режиме, аварийных ситуаций замечено не было, варьирование параметров работы источника питания позволило получить непрерывно-литые длинномерных заготовок с различными диаметрами: Никалин – 8 мм, 14 мм и 32 мм, Альцимак –10 мм, 16 мм и 32 мм (до 5 килограмм каждого типоразмера).На основании теоретических и экспериментальных исследований для сплавов Никалин и Альцимак установлено, что отклонение теоретически определенных параметров математическим моделированием от параметров, полученных в результате эксперимента, лежит в пределах 15%. Из длинномерных непрерывно-литых заготовок сплавов Никалин и Альцимак, полученных методом ЭМК, были вырезаны образцы для изучения их структуры и фазового состава, которые проводили использованием методов световой (ОМ) электронной сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) микроскопии, а также микрорентгеноспектрального анализа (МРСА). Установлено, что метод ЭМК благодаря высокой скорости кристаллизации позволяет получить в литом состоянии высокодисперсную структуру, в которой размер дендритной ячейки составляет: 2,57 мкм, 3,05 мкм, 3,18 мкм, 3,70 мкм и 7,31 мкм для диаметров ЭМК заготовки 8, 10, 14, 16 и 32 мм. Все количество железа связано в эвтектические включения Fe-содержащих фаз (Al9FeNi в Никалине и Al10CaFe2 в Альцимаке). Высокая скорость охлаждения, реализуемая в методе ЭМК, приводит к расширению области первичной кристаллизации (Al) по сравнению поверхностью ликвидуса, рассчитанной для равновесных условий. Поэтому литая структура сплавов Никалин и Альцимак доэвтектическая. Микроструктура заготовок характеризуется высокой однородностью по всему сечению. Изучено влияния режима гомогенизации на структуру литых прутков, полученных методом ЭМК. Нагрев при 450 °С в течение 3 часов приводит к полному растворению Zn и Mg в (Al). Это согласуется с изотермическим разрезом системы Al–Zn–Mg–Fe–Ni, рассчитанным при 1,4%Ni, 1,1%Fe и 450 °С, поскольку точка, отвечающая составу экспериментального сплава, попадает в фазовую область (Al)+Al9FeNi. При этом морфология эвтектических включения фазы Al9FeNi меняется незначительно. Поскольку данная фазовая область существует в широком температурном диапазоне, а именно между температурами сольвуса (443 °С) и равновесного солидуса (559 °С), то была также проведена термообработка по 2-ступенчатому режиму: 450 °С, 3 ч +500 °С, 3 ч. Выявлено, что такой режим привел к значительной сфероидизации частиц Al9FeNi. Согласно предыдущим работам по сплавам системы Al–Zn–Mg–Fe–Ni именно такая структура позволяет обеспечить высокую деформационную пластичность. Аналогичные исследования были проведены и для сплава Альцимак. Проведен анализ возможных способов деформационной обработки высокопрочных сплавов 7ХХХ серии, описаны технологические свойства сплавов и особенности их деформации. Последнюю экспериментально оценивали с использованием метолов продольной прокатки, радиально-сдвиговой прокатки (РСП) и волочения. Экспериментальные исследования проводили на основе результатов компьютерного моделирования деформации в программе QForm 3D. Предварительные эксперименты по деформации заготовок из сплавов Al–Zn–Mg–Ni–Fe и Al–Zn–Mg–Ca–Fe показали, что способ электромагнитного литья со сверхбыстрым затвердеванием обеспечивает получение качественной макро- и микроструктуры и позволяет деформировать данные сплавы стандартными промышленными способами прокатки (продольной и радиально-сдвиговой). Полученные образцы прутков диаметром 10 мм с суммарным коэффициентом вытяжки более 10 и полосы толщиной 1 мм с суммарным коэффициентом вытяжки более 8 (суммарное относительное обжатие 93,75 %). Изучено влияние температуры старения (после закалки) на твердость экспериментальных сплавов Никалин и Альцимак в виде ЭМК прутков и лент. Показано, что максимум твердости (~190 HV) наблюдается при 125-150 °С, что обусловлено формированием вторичных выделений метастабильной фазы T (Al,Zn,Mg) размером менее 20 нм. Сочетание высокой твердости и деформационной пластичности предполагает достижение высоких механических свойств и свидетельствует о перспективности технологии ЭМК к экспериментальным сплавам, содержащим более 1%Fe. Таким образом, длинномерные заготовки сплавов Никалин и Альцимак, полученные методом ЭМК и подвергнутые гомогенизации, являются подходящими объектами для получения деформированных полуфабрикатов с высокими прочностными свойствами.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследования на 2 этапе выполнения проекта были начаты с оценки деформационных свойства сплавов НИКАЛИН и АЛЬЦИМАК в виде ЭМК прутков малых диаметров (8-16 мм), полученных по результатам 1-го года выполнения проекта. Результаты количественной металлографии показали, что метод ЭМК благодаря высокой скорости кристаллизации позволяет получать мелкодисперсную структуру с размером дендритной ячейки в интервале от 3 до 11 мкм (в зависимости от диаметра образца). Согласно известным закономерностям, размер дендритной ячейки в данном диапазоне соответствует скорости охлаждения в процессе кристаллизации в пределах от 2500 К/с и 5600 К/с. Оба сплава были подвергнуты гомогенизации по 2-ступенчатому режиму: 450 °C, 3 ч +500°С, 3 ч. Горячую прокатку (ГП) проводили при 450 °C, в результате были получены бездефектные полосы, толщиной 2 мм. Сплав НИКАЛИН также был подвергнут холодной прокатке до 0.5 мм. Сплав при холодной прокатке (ХП) оказался менее технологичен, что, вероятно, объясняется большим содержание в нем как магния, так и цинка (в сумме 12,3 % против 9,9 %). В процессе деформации произошло формирование структуры, характерной для композитов: равномерно распределенные в алюминиевой матрице глобулярные частицы Fe-содержащих фаз (Al9FeNi Al10CaFe2) субмикронного размера. Существенного различия в структуре горячекатаных и холоднокатаной полос выявлено не было. Поскольку железо практически не растворимо в (Al), то количество Fe-содержащих фаз после деформационно-термической обработки не изменилось. Для оценки степени упрочнения сплавов НИКАЛИН (ГП и ХП полосы) и АЛЬЦИМАК (ГП полосы) полосы подвергали закалке в воду с 450 °C (после 1-часовой выдержки) и последующему ступенчатому старению в интервале температур от 100 до 200 °C (с шагом 25 °C и 3-часовой выдержки на каждой ступени). Было установлено. что на всех 3-х образцах максимальное значение твердости примерно одинаковое (около 190 HV). При этом у НИКАЛИНа максимум достигается при 150 °C, а у АЛЬЦИМАКа при 125 °C (что можно объяснить большей концентрацией Zn и Mg в (Al) в последнем). Таким образом, по совокупности полученных результатов можно сделать предварительный вывод, что сочетание высокой твердости и деформационной пластичности сплавов предполагает достижение высоких механических свойств у экспериментальных сплавов. Это свидетельствует о перспективности технологии ЭМК к сплавам типа AZ6NF, содержащим более 1%Fe. Следующим этапом было получение проволоки из ЭМК прутков сплавов НИКАЛИН и АЛЬЦИМАК диаметром 14 мм и 16 мм соответственно. Предварительно оценивали свойства ЭМК прутков, как в исходном состоянии, так и после гомогенизации по 2 режимам: 1-ступенчатому (530 °C, 6ч) и 2-ступенчатому (450 °C, 3ч+500 °C, 3ч). Исходные (негомогенизированные) ЭМК прутки показали достаточно высокие для литого состояния свойства: у НИКАЛИНа σв = 430 МПа, δ= 6,0 %, у АЛЬЦИМАКа σв = 397 МПа, δ= 3,8 %. Гомогенизация по 2-ступенчатому режиму заметно повысила пластичность обоих сплавов (до 9,2 и 8,5% соответственно) при небольшом снижении прочности. Высокотемпературный нагрев по 1-ступенчатому режиму напротив привел к резкому снижению как пластичности, так и прочности у АЛЬЦИМАКа, что объясняется частичным пережогом (температура солидуса этого сплава ниже 530 °C). Проволока из гомогенизированных слитков была получена методом горячей сортовой прокатки до 3х3 мм (на сортовом прокатном стане AMBIFILO VELOCE ROSEN 180+200×Ø130) с последующим волочением до Ø1.2 мм. Сортовая прокатка осуществлялась в горячем виде в связи с тем, что при деформационной обработке в холодную у заготовок наблюдалось трещенообрабозование, что приводило к обрыву проволоки при последующем волочении. Волочение также осуществлялось с периодическими подогревами между проходами (450 °С, 10 мин). В связи с резким падением пластичности при нагревах выше 500 С у обоих сплавов АЛЬЦИМАК и НИКАЛИН (при температуре гомогенизации 530 °C и времени выдержки 6 ч наблюдается падение относительного удлинения до 2,7 и 5,6% соответственно), для последующего получения проволоки был выбран 2-х ступенчатый режим гомогенизации ЭМК прутков с температурами не превышающими данный предел. Вышеуказанный режим получения Ø1.2 мм проволоки, включающий горячую деформацию, позволяет сохранить достаточную пластичность для последующего волочения (8,4% у АЛЬЦИМАКа (табл. 5) и 13,2% после отжига 450 °C, 10 мин у НИКАЛИНа). Прутки, полученные в ходе сортовой прокатки до 3х3 мм и проволока волоченная до Ø1.2 мм были подвергнуты термообработке по следующему режиму: закалка в воду с температуры 450 °С при нагреве в течении 1 часа с последующим старением при температуре 150 °С в течении 3-х часов (старение проводилось спустя сутки после закалки). Механические свойства закаленных и состаренных прутков 3х3 мм составили: 1) НИКАЛИН: σв = 550 - 570 МПа, δ = 4,5 %; 2) АЛЬЦИМАК: σв = 400 - 410 МПа, δ = 1-2 %. Механические свойства Ø1,2 мм проволоки составили: 1) НИКАЛИН: σв = 380 - 400 МПа, δ = 1-2 %; 2) АЛЬЦИМАК: σв = 500 МПа, δ = 1 %. Анализ структуры подвергнутых РСП Ø 10 мм прутков показал, что в ходе обработки была сформирована структура, характерная для композитов: частицы Fe-содержащих фаз глобулярной формы с равномерным распределением в матрице алюминиевого твердого раствора. Наличие волокнистой структуры обнаружено только в центре прутков в продольном направлении, что характерно для процесса РСП. Анализ механических свойств после закалки в воду с 450 °C (1 час) и старения при 150 °C (6 часов) показал достаточно высокую прочность при удовлетворительной пластичности. Механические свойства закаленных и состаренных подвергнутых РСП Ø 10 мм прутков составили: 1)НИКАЛИН: σв =620 МПа, σв = 590 МПа, δ= 1,9 % 2)АЛЬЦИМАК: σв =600 МПа, σв = 560 МПа, δ= 5,1 %, Оценку коррозионной стойкости прутков проводили по ускоренной методике, определяя потерю массы после суточной выдержки в водном растворе, содержащем 58%NaCl+10%H2O2. Как ожидалось лучшую коррозионную стойкость показал АЛЬЦИМАК, которого потеря массы составила всего 0,06% (против 1,24% у НИКАЛИНа). У марочного высокопрочного сплава В96ц3 потеря массы составила 1,34%. Новой особенностью, выявленной благодаря устранению ряда допущений численного моделирования, принятых в ранних работах по исследованию процесса литья в ЭМК, стало то, что фактически допустимая скорость вытягивания слитка находится в сравнительно узком диапазоне и выход за его пределы приводит не только к ухудшению качества слитка, а также к развитию аварийных ситуаций. Таким образом были найдены оптимальные режимы литья слитков диаметром 25-32 мм из условия достижения максимальных производительности и скорости охлаждения за счет стабилизации фронта кристаллизации на центральной линии индуктора. Полученные режимы сведены в обобщенную диаграмму и сопоставлены с соответствующим ожидаемым дендроидным параметром. Выдвинуто предположение, что по допустимой величине дендритного параметра, задаваемой требованиями к конечно продукции, вся технология литья ElmaCast® сводится к одному конкретному диаметру, являющемуся оптимальным для данных условий. Выполнена доработка, созданной на первом этапе проекта математической модели, на предмет учета динамики поведения микродисперсных частиц в расплаве за счет применения подхода Эйлера-Лагранжа (метод Discrete Phase Model). Применение модели позволяет исследователь эффект фильтрации неметаллических включений при литье в ЭМК и найти закономерности и технологические параметры, позволяющие управлять данным процессом. В результате выполнения расчетов с использованием предложенной модели частиц в выявленных ранее режимах стабильного литья определено, что эффект фильтрации достигает 76%, 76%, 92% и 100% частиц размером 5, 10, 20 и 50 мкм, соответственно. Вместе с тем, показан непосредственно механизм развития эффекта фильтрации, заключающийся в формирующейся картине МГД-течений расплава с последующим непосредственным электромагнитным удалением частиц через внешнюю поверхность.