Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках первого года реализации проекта выполнены все поставленные задачи и достигнуты ожидаемые результаты. На основе анализа данных литературы, ранее проведенных исследований и термодинамических расчетов были выбраны сплавы на основе систем Al-Mg-Si-Cu с разным соотношением Mg/Si и добавками эвтектикообразующих элементов Fe, Ni, Yb и дисперсоидообразующих элементов Sc и Zr. Также на основе более ранних исследований предложен двухступенчатый режим гомогенизации слитков, включающий первую ступень при 350 °С и вторую ступень при 480 °С. Проанализирована структура слитков в литом и гомогенизированном состояниях. Установлено, что во всех сплавах после кристаллизации присутствовала фаза Mg2Si. После гомогенизации фаза Mg2Si частично растворялась, фрагментировалась и сферодизировалась. Объемная доля фазы варьировалась от 0.5 до 2.1 % в зависимости от соотношения Mg/Si в сплаве. Во всех сплавах с добавкой Fe и Ni присутствовала фаза Al9FeNi с объемной долей 4.5 %. После второй ступени гомогенизации частицы Al9FeNi частично фрагментировались и сферодизировались. В сплавах с Yb доля Yb-содержащей фазы составляла от 1до 3 %. После первой ступени гомгенизационного отжига при 350 °С в сплавах наблюдали дисперсоиды фазы Al3(Sc,Zr) со структурным типом L12 когерентных матрице и средним размером 11 нм. После второй ступени гомогенизации при 480 °С размер частиц возрастал до 13 нм. Проанализировано деформационное поведение при ВИК и показана закономерность влияния накопленной деформации и температуры ВИК в диапазоне 150-350 °С на параметры частиц Mg2Si и зеренную структуру в сплаве R (Al-1.2Mg-0.7Si-1.0Cu-0.1Sc-0.1Zr). Установлено, что увеличение количества циклов с 3 до 6 приводит к более полной фрагментации частиц, уменьшению их размера повышению однородности распределения при всех температурах. Увеличение температуры в диапазоне 150-350 °С при 6 циклах ВИК привело к уменьшению размера частиц и увеличени. размера зерна и субзерна. В сплавах с добавками Fe и Ni а также Yb сравнение параметров микроструктуры проводили при режиме ВИК включающем 6 циклов при 325 °С. Выявлено, что размеры частиц Al9FeNi в сплавах с Fe и Ni различаются незначительно и составляют 0,6-0,7 мкм. В сплаве Y05 размер частиц Yb-содержащей фазы составляет 1,3±0,1 мкм, а в сплаве размер частиц несколько меньше и составляет 0,8 ±0,1 мкм. Размер частиц Mg2Si во всех сплавах находится в диапазоне 1,0-1,2 мкм. Анализ термической стабильности структуры показал, что при нагреве до температуры закалки 520 °С и выдержке 20 мин сплавы имеют рекристаллизованную или частично нерекристаллизованную структуру. Наибольший размер зерна после отжига наблюдается в сплаве R. Введение Fe и Si незначительно сказывается на термической стабильности структуры. Снижение концентрации кремния с 0,7 до 0,3 % обеспечивает более стабильную структуру, которая после отжига остается частично нерекристаллизованной. Предположительно, это обусловлено замедлением диффузионных процессов в алюминии при снижении концентрации кремния в твердом растворе. Увеличение концентрации магния ускоряет рекристаллизацию, но обеспечивает меньший размер зерна. Проведен сравнительный анализ показателей сверхпластичости сплавов после ВИК в скоростном диапазоне 0,002 - 0,01 1/с и температурном диапазоне 460-500 ºС. Во всех сплавах наблюдали динамическое упрочнение, обусловленное ростом зерна. Наибольшие величины удлинения получены в сплаве 1F2 (Al-1.2Mg-0.4Si-1.0Cu-1.0Fe-1.0Ni-0.1Sc-0.1Zr). Испытания со скачковым изменением скорости деформации позволили определить величину показателя m в сплавах, которая варьировалась в интервале 0,25-0,5. По результатам анализа зависимостей истинного напряжения от истинной деформации при ВИК построена математическая модель зависимости напряжения от накопленной деформации для сплава R (Al-1.2Mg-0.7Si-1.0Cu-0.1Sc-0.2Zr). Также для сплава R построена феноменологическая модель описывающая взаимосвязь между истиным напряжнием, степенью деформации, скоростью деформации и температурой при сверхпластической деформации в температурном интервале 460-500 °С и интервале скоростей деформации от 0,002 - 0,01 1/с. Проанализированы вклады разных механизмов упрочнения в предел текучести выбранных сплавов. Рассчитаны вклады для частиц вторых фаз по уравнению Орована, вклад размера зерна в упрочнение через уравнение Холла-Петча, а также дислокационное и твердорастворное упрочнение. Показано, что суммарный вклад действующих механизмов в величину предела текучести можно приблизительно оценить в 180-234 МПа. Экспериментальные значения для большинства сплавов укладываются в теоретически рассчитанные диапазоны. Для работы на втором этапе выполнения проекта предлагается использовать все сплавы, выбранные для работы на первом этапе. Основной задачей второго этапа проекта будет являться анализ влияния дополнительной термомеханической обработки образцов после ВИК на свойства и структуру сплавов. В результате второго этапа реализации проекта выполнены все запланированные задачи, написан научный отчет, опубликованы статьи в журнале Metals Q1 [https://doi.org/10.3390/ma16010445] и представлены доклады на международных научных конференциях «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов»-2023 и ПРОСТ-2023.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В качестве объектов исследования на втором этапе работы были выбраны следующие сплав системы Al-Mg-Si, дополнительно легированные Fe, Ni, Sc и Zr. Предварительно гомогенизированные сплавы подвергали термомеханической обработке по нескольким режимам, включающим простую термомеханическую обработку путем горячей и холодной прокатки с разным соотношением, а также всесторонней изотермической ковке с последующей прокаткой. Была проанализирована структура сплавов после термомеханической обработки по разным режимам, также проведены испытания сплавов на растяжение при повышенных температурах и определены показатели сверхпластичности. После сверхпластической деформации проанализирована зеренная структура и пористость в исследованных сплавах. Получены кинетические кривые твердости при старении в сплавах в зависимости от температуры и выявлен оптимальный режим старения. Проведенные работы показали, что простая термомеханическая обработка (ТМО) сплавов системы Al-Mg-Si при легировании их их эвтектикообразующими и дисперсоидообразующими элементами не уступает ВИК по эффективности для измельчения зеренной структры и обеспечения состояния сверхпластичности. Образцы, подвергнутые простой ТМО путем горячей прокатки, демонстрировали наиболее стабильное сверхпластическое течение с удлинением до 500 %. Этот эффект обусловлен стимулируемым зарождением новых зерен на частицах интерметаллидов эвтектического происхождения, позволяющим измельчить зеренную структуру. Параметры зеренной структуры после ВИК близки к параметрам структуры, формирующейся в процессе СПД в термомеханически обработанных образцах с нерекристаллизованной структурой. Таким образом введение в сплавы эвтектикообразующих элементов, Fe и Ni, эффективно измельчает зерно и позволяет значительно улучшить показатели сверхпластичности. Сплавы с диапазоном концентраций кремния 0.4-0.7 % и магния 1,2-2 % проявляют сверхпластичность как после ВИК, так и после термомеханической обработки. При этом увеличение концентрации Mg и снижение концентрации Si способствует снижению напряжения течения при сверхпластической деформации. Увеличение концентрации Mg позволяет увеличить уровень относительного удлинения. Наибольший уровень прочности в сплавах наблюдали после термомеханической обработки путем горячей прокатки с обжатием 90 % и последующей закалки при 520 °С (30 мин) и старения на максимальную прочность при 160 °С (4 ч). Таким образом, по совокупности свойств термомеханически обработанных заготовок наиболее эффективным следует считать режим, включающий простую термомеханическую обработку путем горячей прокатки с обжатием 90 %. Данный режим обеспечивает стабильное сверхпластическое течение в авиалях благодаря однородной структуре и обеспечивает наибольший уровень прочностных характеристик после упрочняющей термической обработки.