КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-00215
НазваниеТеоретические и экспериментальные исследования влияния микроструктурной гетерогенности на эволюцию структуры и сверхпластичность алюминиевых сплавов, обработанных трением c перемешиванием
РуководительКищик Анна Алексеевна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словаАлюминиевый сплав, размер зерна, ультрамелкозернистая структура, частицы, дисперсоиды, сверхпластичность, обработка трением с перемешивание
Код ГРНТИ53.00.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Расширение использования алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении позволит уменьшить вес и, следовательно, экономить топливные ресурсы, повысит экологичность транспорта. Облегченные прочные конструкции – основа электромобилей, а значит будущего экотранспорта, необходимого современной городской среде, основа беспилотных устройств и авиастроения. Алюминиевые сплавы требуют повышенных температур формообразования деталей, взамен многопереходной холодной штамповки, применяемой для малолегированных сталей, используют горячую деформацию. В этом ключе метод сверхпластической формовки является актуальным способом получения облегченных бесшовных алюминиевых корпусных деталей сложной формы. Дополнительная привлекательность метода – сокращение технологического цикла и существенное уменьшение стоимости оснастки. Для повышения экономической привлекательности метода для массового производства требуются материалы способные к высокоскоростной сверхпластической формовке. Данный проект направлен на разработку новых алюминиевых сплавов и технологий, повышающих их эксплуатационный ресурс и прочностные свойства.
Проект нацелен на разработку научного подхода получения с использованием обработки трением с перемешиванием стабильной ультрамелкозернистой структуры и достижения в листах сплавов с оптимальной структурной гетерогенностью высокоскоростной сверхпластичности и высокой прочности. Решение задач проекта возможно путем целенаправленного воздействия на микроструктуру сплавов через оптимизацию химического и фазового состава, параметров частиц вторых фаз и режимов обработки. Благодаря формированию ультрамелкозернистой структуры матрицы с регламентируемым распределением частиц вторых фаз при термомеханической обработке, включающей сварку трением с перемешиванием будет обеспечен рост предела текучести при комнатной температуре не менее чем на 25% по сравнению с аналогами и относительное удлинение не менее 300% при скоростях сверхпластической деформации не менее 10-2 с-1 и температуре деформации 400-480 °С.Комплексный подход к исследованию, включающий анализ фазовых превращений в сплавах в зависимости от состава, изучение деформационного поведения, эволюции структуры в процессе сверхпластической деформации в сплавах с разными исходными параметрами путем многоуровневого микроструктурного анализа с использованием сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, анализа картин дифракции обратно-рассеянных электронов, рентгенофазового анализа обеспечат получение достоверных результатов.
Данные запланированных теоретических и экспериментальных исследований позволят определить требования к составам, оптимальным параметрам микроструктуры и технологическим режимам получения листов новых алюминиевых сплавов, включающим обработку трением с перемешиванием и обеспечивающим требуемый комплекс механических характеристик и высокоскоростную сверхпластичность.
Ожидаемые результаты
В рамках выполнения проекта будут получены следующие результаты:
1. Выбранные по результатам теоретических исследований (анализ литературы и термодинамические расчеты) химические составы новых сплавов и экспериментально полученные заготовки данных сплавов с регламентированной структурной гетерогенностью с описанием параметров их микроструктуры их в исходном состоянии, включая фазовый состав, фазовые превращения при нагреве/кристаллизации, параметры зеренной структуры алюминиевого твердого раствора, размер, характер распределения, объемную долю частиц вторых фаз, их химический состав и кристаллическую структуру.
2. Эволюция распределения, размера и морфологии частиц вторых фаз исследуемых сплавов в процессе обработки трением с перемешиванием в зоне обработки и в зоне термического влияния.
3. Закономерности влияния наноразмерных частиц (дисперсоидов) и микронных частиц вторых фаз на параметры зеренной/субзеренной структуры, сформированной обработкой трением с перемешиванием и ее эволюцию при термическом воздействии и высокотемпературной сверхпластической деформации.
4. Закономерности влияния параметров структуры исследуемых гетерофазных сплавов на механические свойства заготовок, показатели сверхпластичности и вклады действующих механизмов деформации, полученных с использованием обработки трением с перемешиванием.
5. Физические модели формирования структуры новых сплавов при термомеханической обработке, включающей обработку трением с перемешиванием
6. Математические модели связи показателей сверхпластичности с температурно-скоростными условиями деформации и структурными параметрами исследуемых сплавов.
7. Методика анализа вкладов действующих механизмов сверхпластической деформации с использованием маркерных сеток, включая конфигурацию, шаг и глубину линий сеток, режимы их нанесения при помощи фокусированного ионного пучка (FIB), позволяющая адресно анализировать эволюцию конкретных микроструктурных параметров и количественно определять вклады внутризеренной и зернограничной деформации по результатам нескольких последовательных деформаций (до 0.7 накопленной деформации).
8. Рекомендации к составам, оптимальным параметрам микроструктуры и технологических режимам получения листов новых алюминиевых сплавов, обеспечивающим при наименьшем числе проходов обработкой трением с перемешиванием стабильную ультрамелкозернистую структуру, высокоскоростную сверхпластичность (при температурах в интервале 400-480°C и скоростях деформации более 0.01 1/c) и повышенные прочностные характеристики (предел текучести не менее чем на 25 % выше аналогов).
9. Статьи в высокорейтинговых научных журналах (не менее 3 шт) и доклады на всероссийских/международных научных конференциях (не менее 3 шт).
В результате работы будут определены закономерности влияния микроструктурной гетерогенности на параметры зеренной структуры, механические свойства, показатели сверхпластичности и вклады действующих при сверхпластической деформации механизмов листовых заготовок, подвергнутых обработке трением с перемешиванием. Полученные закономерности станут основой рекомендаций к составам и технологическим режимам получения с использованием обработки трением с перемешиванием заготовок алюминиевых сплавов с высокоскоростной сверхпластичностью и высокими механическими свойствами. Важное требование к режимам обработки направленное на ускорение промышленного внедрения новых материалов состоит в минимизации числа проходов при обработке трением с перемешиванием при обеспечении формирования ультрамелкозернистой структуры и требуемого комплекса механических свойств. Разрабатываемые сплавы и технологии предназначены для применения в массовом производстве облегченных конструкций сложной формы в первую очередь в транспортном машиностроении, направлены на внедрение в массовое производство метода высокоскоростной сверхпластической формовки, позволяющего повысить качество изделий при увеличении экономической и энергоэффективности процесса их получения за счет сокращения технологического цикла, удешевления оснастки уменьшения числа соединений.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведены теоретические исследования для выбора составов, режимов получения и обработки сплавов: анализ литературы, термодинамические расчеты, теоретический расчет вклада различных механизмов упрочнения в предел текучести. Управлять размером зерна через параметры частиц вторых фаз при рекристаллизации можно двумя способами. Первый – введение добавок переходных металлов для образования дисперсоидов. Размер дисперсоидов колеблется от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров, в результате они эффективно сдерживают статическую рекристаллизацию, повышая ее температуру, а в рекристаллизованном состоянии эффективно сдерживают миграцию границ рекристаллизованных зерен и обеспечивают размер зерна при нагреве или в процессе динамической рекристаллизации менее 10 мкм.
Второй вариант измельчения структуры основан на эффекте «particle stimulated nucleation» (PSN) или формировании частиц, стимулирующих зарождение новых зерен. Суть этого явления заключается в том, что вокруг труднодеформируемых частиц с размером от 0,5 до 2 мкм в процессе холодной деформации создается повышенная плотность дислокаций. При дальнейшем рекристаллизационном отжиге в этих местах образуются новые зерна. Чем выше плотность таких частиц в сплаве, тем больше мест зарождения новых зерен, соответственно, меньше средний размер зерна.
Обработка трением с перемешиванием (ОТП) считается подходом к твердотельной обработке для изменения микроструктуры и измельчения зерна. Благодаря ОТП сильная пластическая деформация, термическое воздействие и перемешивание в зоне обработки приводят к образованию равноосных и мелкодисперсных рекристаллизованных зерен с преобладающими высокоугловыми границами зерен, что важно для улучшения сверхпластичных свойств. Измельчение зерна увеличивает скорость деформации при сверхпластической деформации, что потенциально влияет на снижение энергопотребления и производственных затрат.
Обработанные сплавы на основе Al-Mg имеют структуру матричного типа с матрицей из твердого раствора на основе Al и частицами вторичных фаз. Частицы помогают контролировать рекристаллизацию и связанные с ней явления и существенно влияют на размер зерна и его однородность во время термомеханической обработки. Крупные частицы, близкие к сферическим, повышают кинетику рекристаллизации за счет стимуляции образования зародышей, измельчают размер зерна и улучшают однородность зеренной структуры.
За основу исследования были выбраны известные сплавы, активно применяющие в промышленности: сплав системы Al-Mg-Mn-Cr (AA5083) и Al-Mg-Sc-Zr (1545). Данные сплавы выступают как эталонные сплавы. Второй группой исследуемых сплавов являются сплавы аналогичных составов, но дополнительно легированные Ni и Fe (модельные), для создания гетерогенной структуры. Состав сплавов для исследования выбирали, исходя из идеи создать сплавы с бимодальным распределением частиц по размерам. Учитывая, что наличие крупных частиц эффективно измельчает зерно, возможно введение в сплав эвтектикообразующих элементов для кристаллизации в сплавах мелкодисперсной эвтектики, которая будет фрагментироваться до частиц микронных размеров.
При введении совместно Fe (от 0,6 до 0,9 %) и Ni (от 0,8 до 1) масс. % образуется фаза Al9FeNi. Рассчитанная объемная доля данной фазы при подсолидусной температуре и выбранных концентрациях около 4,5 %. Для первичной кристаллизации алюминиевого твердого раствора необходимо, чтобы магния в сплаве без дисперсоидообразующих элементов было не более 7 %.
Теоретический расчет вклада различных механизмов упрочнения в предел текучести показал, что суммарный вклад эффектов упрочнения кристаллической решетки, твердого раствора, дисперсоидов и границ зерен составляет около 200 МПа. Однако экспериментальный предел текучести может иметь более высокий уровень в результате не полностью рекристаллизованной зеренной структуры и несколько более высокой плотности дислокаций после обработки перемешиванием.
Были получены заготовки модельных сплавов и проведена предварительная термическая и деформационная обработка с аттестацией структурных параметров на каждом этапе. В литом состоянии наблюдается ликвация по Mg на периферии дендритных ячеек (Al)-твердого раствора для всех исследуемых сплавов. В модифицированных Fe-Ni сплавах была получена фаза, обогащенная Fe и Ni и относилась к фазе Al9FeNi. После двухэтапной гомогенизации сплавов произошло устранение дендритной ликвации и растворение фазы Al3Mg2. Для модифицированных сплавов фаза Al9FeNi была фрагментирована и сфероидизирована.
Наноразмерные дисперсоиды фазы Al3(Sc,Zr) со структурой L12 были получены во время гомогенизационного отжига. Дисперсоиды образовывались неоднородно на дислокациях и стенках дислокаций, кроме того, дисперсоиды образовывались в свободных от дислокаций пространствах. После обработки трением с перемешиванием в зоне перемешивания размер дисперсоидов увеличился, но они сохранили когерентность и тот же структурный тип фазы L12.
Проведен анализ эволюции параметров зеренной структуры и частиц вторых фаз в заготовках модельных сплавов. Частицы вторых фаз уменьшились, сферодизировались и стали равномерно распределены в зоне перемешивания.
Определена стабильность зеренной структуры от температуры отжига после обработки трением с перемешиванием. В сплавах, легированных Mn/Cr структура после ОТП не стабильная, с увеличением температуры отжига зерно растет в 5-10 раз. При этом стоит отметить, что размер зерна в сплавах с крупными частицами равномерный, зерно более стабильно и растет медленнее.
Определены механические свойства листовых заготовок модельных сплавов. Изменение напряжения течения во время деформации выявило деформационное упрочнение. Предел текучести превысил 210 МПа, предел прочности достигал 340 МПа при относительном удлинении 21 %. Повышение предельной прочности было получено за счет однородной зеренной структуры, малого размера зерна и равномерного распределения частиц, богатых Fe и Ni, в зоне перемешивания после ОТП. Присутствие частиц, богатых Fe и Ni, не только улучшило предел прочности, но и увеличило относительное удлинение до разрушения на 40 %.
Анализ изменения микротвердости в образцах показал, что в образцах сплавов после горячей прокатки уровень твердости не отличается в зависимости от легирования Mn/Cr или Zr/Sc. Стоит отметить, что в модифицированных сплавах с добавкой Fe/Ni уровень микротвердости выше на 5-10 %, чем в эталонных сплавах. Сплавы в горячекатанном состоянии имеют более высокую микротвердость, так как температура горячей прокатки не превышала 420 °С, а разогрев при ОТП доходил до 520 °С.
По результатам исследования была написана и принята в печать в феврале 2023 г. статья Mosleh A.O., Yakovtseva O.A., Kishchik A.A., Kotov A.D., Moustafa E.B., Mikhaylovskaya A.V. Effect of Coarse Eutectic-Originated Particles on the Microstructure and Properties of the Friction Stir-Processed Al-Mg-Zr-Sc-Based Alloys, JOM, 2023. Результаты опубликованы и доложены на конференциb: «Прочность неоднородных структур ПРОСТ–2023» 18–20 апреля 2023 г; Москва, НИТУ МИСИС.
Публикации
1. Мослех А., Яковцева О.А., Кищик А.А., Котов А.Д., Мустафа Е., Михайловская А.В. Effect of Coarse Eutectic-Originated Particles on the Microstructure and Properties of the Friction Stir-Processed Al-Mg-Zr-Sc-Based Alloys JOM: the journal of the Minerals, Metals & Materials Society, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s11837-023-05712-x