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 19-79-10242

НазваниеИсследование закономерностей формирования структуры и разработка новых высокотехнологичных сплавов на основе систем Al-Cu-Y и Al-Cu-Er.

РуководительПоздняков Андрей Владимирович, 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 Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаалюминиевые сплавы, эрбий, иттрий, наночастицы, рекристаллизация, микроструктура, фазовый состав, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, механические свойства.

Код ГРНТИ53.49.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Новые высокотехнологичные и жаропрочные литейные и деформируемые сплавы на основе систем Al-Cu-Y и Al-Cu-Er несмотря на достигнутый высокий уровень механических, технологических, физических и коррозионных свойств имеют некоторые недостатки. В частности, при классическом производстве слитков и отливок существуют ограничения по максимальному содержанию переходных и редкоземельных металлов, связанное с недостаточно высокими скоростями охлаждения при литье и, как результат, низким пределом растворимости. В условиях лазерного плавления существует возможность повысить содержание таких элементов, как цирконий и титан, при этом, диспергировать структуру, что важно с позиции повышения прочности. В рамках Проекта 2022 необходимо определить возможный диапазон легирования хромом взамен марганца, формирующего с медью фазы кристаллизационного происхождения и как следствие, снижающего эффект твердорастворного и дисперсионного упрочнения. Повышение эффекта дисперсионного твердения обеспечит малая добавка скандия, максимальное содержание которой будет ограничено 0,07 масс.%. В Проекте 2022 будут решены следующие новые задачи: 1 - повышение уровня прочностных свойств новых сплавов за счет легирования скандием, 2 - определение влияния замены марганца (полностью или частично) на хром и его роль в структурообразовании исследуемых сплавов получаемых традиционными технологиями, 3 - оптимизация составов новых сплавов для аддитивного производства, т.е. определение концентрационных максимумов основных легирующих добавок и примесей. Реализация поставленных задач позволит создать новые высокотехнологичные жаропрочные литейные и деформируемые сплавы, перспективные как для классического металлургического, так и для аддитивного производства, обеспечив качественный скачок уровня механических характеристик.

Ожидаемые результаты
Основным результатом станут новые композиции высокотехнологичных жаропрочных литейных и деформируемых алюминиевых сплавов, перспективных как для классического, так и для аддитивного производства изделий. Будут выявлены закономерности структурообразования в сложнолегированных сплавах на основе систем Al-Cu-Y и Al-Cu-Er в процессе термической, термомеханической и лазерной обработки. Будут определены оптимальные технологические режимы термической и термомеханической обработки, обеспечивающие высокий уровень механических характеристик. Полученные научные результаты позволят перейти к разработке новых материалов для автомобиле-, авиастроения и космических аппаратов. Применение современных методов исследования структуры и свойств, включающих детальный анализ микроструктуры разными методами от световой до высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, использование термодинамических методов анализа фазовых равновесий, моделирование физических процессов при помощи комплекса Gleeble позволят получить заявленный результат и разработать прототипы новых сплавов в сжатые проектом сроки, обеспечив высокий технический уровень исследования и высокую научную значимость его результатам. В новых сплавах будет создана микроструктура с равномерным распределением околосферических частиц фаз эвтектического происхождения, высокой плотностью распределения дисперсоидов и продуктов старения для достижения заданного уровня эксплуатационных (предел текучести литейных сплавов не менее 250 МПа, предел длительной прочности при 250 °С не ниже 105 МПа, предел текучести деформируемых сплавов в нагартованном состоянии не менее 350 МПа, в мягком не менее 220 МПа, коррозионная стойкость, сопоставимая с аналогами) и технологических (показательгоряеломкости не более 14 мм, на уровне медистых силуминов) свойств. Полученные результаты будут опубликованы в не менее чем в 9 статьях в высокорейтинговых журналах Web of Science и Scopus.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Микроструктура слитка сплава AlCuYZrCr представлена алюминиевым твердым раствором (Al), дисперсной эвтектикой обогащенной медью и иттрием и отдельными включениями фазы богатой медью, иттрием и хромом. Согласно рентгенограмме в сплаве присутствуют фазы (Al), Al8Cu4Y and (Al,Cu)11Y3. Согласно данным точечного анализа в СЭМ в частицах фазы с хромом содержится до 18.8Cu, 9.3Y и 7.6Cr. Пересчет в атомные доли может позволить в первом приближении записать формулу фазы как Al81-85Cu7-10Y3-4Cr5. Легирование хромом в совокупности с имеющимися в сплаве эрбием и цирконием приводит к существенному модифицированию и практически полному устранению дендритной структуры. В сплаве AlCuErZrCr размер зерна соответствует размеру дендритной ячейки и составляет примерно 40 мкм. Граненые компактные кристаллы содержат в своем составе Cu, Cr, Er помимо алюминия в количестве до 20,5%, 10%, 17% соотвественно. После пересчета в атомные доли формулу фазы в первом приближении можно записать как Al75-80Cu10-12Er3-4Cr7. В данном случае, пики от новой фазы, вероятно, перекрываются основными пиками других идентифицированных фаз. В случае перекрытия пиками от алюминия можно говорить о близости параметра решетки новой фазы и (Al), что подтверждает существенно меньшее зерно в сплаве AlCuErZrCr. Микроструктура сплава AlCuYMgCr состоит из алюминиевого твердого раствора, и эвтектики с фазой Al8Cu4Y в качестве основных структурных составляющих. Дополнительно в структуре выявлены первичные интерметаллиды фазы богатой хромом, в которой также определено около 4Ti. По составу фаза близка к соединению Al81-85Cu7-10Y3-4Cr5, идентифицированному в сплаве AlCuYZrCr. Отдельные светлые включения вытянутой формы обогащены медью, иттрием и кремнием, по составу близкие к фазе Al11Cu2Y2Si2, идентифицированной при изучении влияния примесей железа и кремния на структуру и свойства сплава Al-Cu-Y. Примесь железа растворена в фазе Al8Cu4Y. Микроструктура сплава AlCuErMgCr состоит из алюминиевого твердого раствора, эвтектики с фазой Al8Cu4Er и частиц фазы Al3Er в качестве основных структурных составляющих. Дополнительно в структуре выявлены первичные интерметаллиды фазы богатой хромом по составу близкой к соединению Al75-80Cu10-12Er3-4Cr7, идентифицированному в сплаве AlCuErZrCr. Примесь железа растворена в фазе Al8Cu4Er. Размер зерна составляет 200 и 150 мкм для сплавов AlCuYMgCr и AlCuErMgCr соответственно. Для установления оптимального времени гомогенизацию сплавов AlCuYZrCr и AlCuErZrCr проводили в течение 1, 3 и 6 часов. В результате гомогенизации после 3 часов происходит стабилизация содержания меди на уровне 1,8%, а также фрагментация и сфероидизация равновесного избытка фаз кристаллизационного происхождения. Параллельно с гомогенизацией протекает гетерогенизация. Пересыщенный твердый раствор по иттрию или эрбию, цирконию и хрому претерпевает распад. Согласно термодинамическим расчетам политермического разреза Al-1,8Cu-0,4Zr-(0-1)Cr при 600°C в равновесии с (Al) должна присутствовать фаза Al3Zr. Так же возможно присутствие фазы Al7Cr, поскольку сплав при 600°C находится на границе двух- и трехфазных областей. В сплавах с меньшим соотношением Cu/Y или Cu/Er в твердом растворе меди меньше на 0,4-0,5%. В сплавах без магния AlCuYZrCr и AlCuErZrCr ввиду наличия только малого количества меди в растворе (1,8%) упрочняющий эффект практически отсутствует. Старение сплавов с магнием с разным соотношением Cu/Y и Cu/Er определяется напрямую этим соотношением, т.е. содержанием меди в растворе после закалки. В сплавах с соотношением менее или равном 4 содержанием меди составляет 1,7-1,8% и упрочняющий эффект от старения менее 30 HV. При соотношении Cu/Y и Cu/Er более 4, содержанием меди в растворе выше и составляет 2,2%, а эффект от старения существенно выше 40-50HV. Максимальная твердость в 105-115HV в сплавах AlCuYMgCr и AlCuErMgCr-b достигается после 3-7 часов старения при 210°С. После старения сплавов AlCuYZrCr и AlCuErZrCr твердость несущественно возрастает с 52-55 HV до 55-59 HV, что связано с малым содержанием меди в растворе. В матрице алюминиевого твердого раствора точечным анализом идентифицировано два типа выделений. Первые – сферические частицы L12-Al3(Zr,Y) или L12-Al3(Zr,Er) средним диаметром 50 и 40 нм и дискообразные θ’(Al2Cu) диаметром до 120 нм и толщиной до 8 нм. При этом выделения фазы θ’(Al2Cu) образованы в основном на границе (Al) с частицами L12. Частиц содержащих хром в матрице не найдено. Аналогичная структура формируется в сплавах AlCuYMgCr и AlCuErMgCr, за исключением, что упрочняющей фазой при старении являются диски фазы S’ диаметром до 200 нм. При этом, несмотря на то, что гомогенизация этих сплавов при температуре 580°C должна протекать в фазовой области (Al)+Al3Zr+Al7Cr термодинамическим расчетам, частиц фазы Al7Cr в структуре сплавов не выявлено. Прокатку комплекснолегированных сплавов проводили при температурах 520-540°C с толщины 20 мм до 10 мм с последующей холодной прокаткой до 1 мм листов. Аналогичная технология использована для сплавов AlCuYZrCr и AlCuErZrCr, за исключением, что температура горячей прокатки составляла 440°C. В процессе низкотемпературного отжига при 150-210°С после прокатки протекает два конкурирующих по влиянию на свойства процесса: старение и полигонизация. Старение протекает после получения пересыщенного твердого раствора при горячей прокатке, а накопленная высокая плотность дислокаций в процессе холодной прокатки снижается. В процессе отжига листов сплавов с магнием при 150°С происходит рост твердости обусловленный превалированием старения над полигонизацией. При этом в исследуемом сплаве со скандием отмечен больший прирост твердости (ΔHV = 14), чем в сплаве сравнения (ΔHV = 10). Аналогично больший эффект отмечен в сплаве AlCuYMgCr (ΔHV = 19) с большим содержанием меди в растворе, чем в сплаве AlCuErMgCr (ΔHV = 13). В процессе отжига при 180°С с увеличением времени более 1 часа разупрочнение от полигонизации начинает перекрывать эффект от старения и твердость сплавов снижается. При этом скорость снижения твердости (наклон кривой) в сплаве со скандием меньше. Аналогичный эффект отмечен после отжига при 210°С. Торможение процесса полигонизации обусловлено наличием скандия, который повышает плотность дисперсоидов в сплаве, образованных в процессе гомогенизационного отжига слитков. Для сплавов AlCuYMgCr и AlCuErMgCr существенных отличий не выявлено. Разупрочнение при низких температурах в сплавах с хромом AlCuYZrCr, AlCuErZrCr протекает существенно медленнее, чем в сплаве близкого состава без него. Дальнейшее повышение температуры отжига до 350°С сохраняет нерекристаллизованную структуру, а твердость снижается за счет развития полигонизации. После отжига при 400°С сплав сравнения без скандия представлен полностью рекристаллизованной структурой. В то же время аналогичный отжиг формирует в сплавах AlCuYMgSc и AlCuErMgSc частично рекристаллизованную структуру. Малая добавка скандия повышает температуру начала рекристаллизации. При этом твердость сплава с 0,07Sc и пониженным содержанием основных легирующих элементов выше на 9-14HV. При повышении температуры отжига листов сплавов AlCuYZrCr и AlCuErZrCr до 350°С твердость сплавов существенно снижается и выравнивается. Согласно микроструктурным исследованиям в обоих сплавах при этом наблюдается частично рекристаллизованная структура. Горячая прокатка сплавов AlCuYZrCr и AlCuErZrCr при температуре 440°C согласно термодинамическим расчетам должна протекать в фазовой области ((Al)+Al3Zr+Al7Cr). Можно предположить, что в процессе горячей прокатки произойдет распад пересыщенного хромом раствора с образованием дисперсоидов фазы Al7Cr. Однако анализ тонкой структуры сплавов AlCuYZrCr и AlCuErZrCr в отожженном после прокатки состоянии показал наличие только L12- дисперсодов. Отличия в твердости сплавов при отжиге до 300°C возможно объяснить либо влиянием растворенных атомов хрома, либо образованием кластеров хром-содержащих частиц, которые не удалось идентифицировать в ПЭМ.

 

Публикации

1. С.М.Амер, М.В.Главатских, Р.Ю.Барков, А.В.Поздняков EFFECT OF TRACE SCANDIUM ON PHASE COMPOSITION AND PROPERTIES OF WROUTH Al–Cu–Er–Mg–Mn–Zr ALLOY Metallurgist, №3 (год публикации - 2023)

2. С.М.Амер, М.В.Главатских, Р.Ю.Барков, И.С.Логинова, А.В.Поздняков EFFECT OF CHROMIUM ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE Al-Cu-Er-Zr ALLOY Metallurgist, №10 (год публикации - 2023)

3. С.М.Амер, М.В.Главатских, Р.Ю.Барков, И.С.Логинова, А.В.Поздняков Effect of Cr on the microstructure and mechanical properties of the Al-Cu-Y-Zr alloy Metals, V.13, 2023, 349 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/met13020349