Научные основы создания термостабильных структур высокой дисперсности для повышения прочности и жаропрочности алюминиевых сплавов на базе систем Al-Cu(-Si, Mn, Ca), содержащих микродобавки Sn, Mg, In

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 проекта 20-79-10373

НазваниеНаучные основы создания термостабильных структур высокой дисперсности для повышения прочности и жаропрочности алюминиевых сплавов на базе систем Al-Cu(-Si, Mn, Ca), содержащих микродобавки Sn, Mg, In

Руководитель Акопян Торгом Кароевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова алюминиевые сплавы, прочность, жаропрочность, дисперсионное упрочнение, старение, атомно-зондовая томография, микролегирование, фазовые диаграммы

Код ГРНТИ53.49.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из важнейшей характеристик современных изделий, в частности применительно к наземного, водному и воздушному транспорту, является их легкость, что исключает использование традиционных тяжелых конструкционных материалов, таких как сталь, чугун, бронзы. В частности, за последнее время для экономии энергии и снижения количества выхлопных газов в автомобильной промышленности наблюдается устойчивый рост интереса к замене компонент двигателей и агрегатов на более легкие алюминиевые сплавы. Для этой цели наиболее широко используются сплавы на основе систем Al-Si-Cu(-Mg) (типа А319) и Al-Si-Mg (типа А356), поскольку они обеспечивают высокие литейные свойства и относительно высокие механические свойства при комнатной температуре, а также при кратковременных нагревах до 225 °С. Однако, обладая высокой технологичностью при литье, сплавы на основе системы Al-Si-Cu(-Mg) (типа А319) имеют средний уровень прочностных свойств для алюминиевых сплавов (предел прочности ~310-340 МПа). Кроме того, сплавы на основе Al-Si эвтектики испытывают интенсивное разупрочнение уже при кратковременном нагреве при 225 °С. С другой стороны, передел прочности деформируемых сплавов типа 2219 (система Al-Cu-Mn) после полного цикла термомеханической обработки может достигать 500 МПа, однако при этом рабочие температуры также не превышают 250 °С. Следует отметить, что по оценкам экспертов планируемое увеличение мощности двигателя в ближайшем будущем повысит рабочую температуру до 300–350 °C, что полностью исключает возможность использования промышленных алюминиевых сплавов для их изготовления. Таким образом, из сказанного выше можно заключить, что в настоящее время является актуальной проблема повышения прочности и термостойкости промышленных и перспективных алюминиевых сплавов без значительного повышения себестоимости или сопутствующего снижения других механических свойств и технологических свойств (при получении фасонного литья или деформированных полуфабрикатов) в сравнении с марочными аналогами. Из существующих в настоящее время подходов по решению данной проблемы наиболее перспективным представляется тот, согласно которому повышение прочности и термостойкости алюминиевых сплавов, в частности на базе системы Al-Cu, может быть достигнуто путем микролегирования добавками Ag, Sc, Zr, Y, Er и т.д. По утверждению авторов соответствующих исследований, атомы данных микродобавок в процессе старения сплавов образуют сегрегации на границе алюминиевая матрица/упрочняющая фаза (когерентные или частично когерентные дисперсоиды - продукты распада алюминиевого твердого раствора). Согласно принятой теории, такие сегрегации приводят к снижению энергии на межфазной границе, что, в свою очередь, приводит к уменьшению среднего размера, повышению плотности распределения и термической стабильности упрочняющих дисперсоидов. Подобное модифицирование дисперсионной структуры обеспечивает одновременное повышение прочности и термостойкости сплава после старения. Следует отметить, что, несмотря на то, что такой подход позволяет достичь значительного эффекта, используемые для этого модифицирующие добавки Ag, Sc, Zr, Y, Er имеют весьма высокую стоимость, что ограничивает широкое использование таких сплавов в промышленности. С другой стороны, ранее схожий эффект модифицирования был обнаружен и в случае легирования сплавов типа Al-Cu микродобавкой кадмия Cd. В американском стандарте известен деформируемый сплав типа 2021 или отечественный сплав 1201, содержащий малую добавку кадмия. Однако высокая токсичность данного элемента исключает его широкое применение в промышленности. С другой стороны, появившиеся за последнее время работы, сообщают о возможности замены кадмия оловом, индием, висмутом и т.д. При этом влияние данных малых добавок рассматривается исключительно для литейных вариантов сплавов типа Al-Cu. По нашему мнению такой подход малоперспективен ввиду крайне низких литейных свойств алюминиевых сплавов данной группы. Следует особо отметить, что исследования влияния малых добавок (типа олова, индия) в случае деформируемых Al-Cu сплавов ранее не проводились. С другой стороны, нет и работ изучающих влияние микролегирования, в частности оловом и индием, на структуру и механические свойства литейных алюминиевых сплавов, в частности на базе системы Al-Si-Cu, которые, благодаря высоким литейным свойствам, являются одними из наиболее широко используемых в промышленности. Таким образом, в рамках настоящего проекта, будет впервые изучено раздельное и совместное влияние малых добавок Sn, In (а также Mg для деформируемых Al-Cu сплавов) на дисперсионную структуру новых литейных сплавов на основе системы Al-Si-Cu и деформируемых сплавов на основе системы Al-Cu(-Si). Предполагается, что по сочетанию базовых физико-механических характеристик (прочности, пластичности и термостойкости), технологичности и стоимости новые сплавы будут превосходить существующие марочные алюминиевые сплавы 3xx и 2ххх серий. По результатам проведенных прецизионных исследований будет предложен уточненный механизм влияния малых добавок на структуру и свойства как литейных сплавов после старения, так и деформированных сплавов, подвергаемых предварительной обработке давлением перед старением. Следует также подчеркнуть, что добавка дорогостоящего индия, обладающего одним из наиболее заметных эффектов, будет рассматриваться в настоящей работе только с точки зрения научного обоснования механизмов влияния подобного микролегирования на свойства сплавов. Тогда как существенно более дешевая добавка олова, которая по эффекту не уступает индию будет рассматриваться в качестве перспективной добавки именно с точки зрения промышленного производства. Следует отметить, что примесь олова обнаруживается в составе вторичного алюминиевого сырья, использование которого в производстве высококачественных алюминиевых сплавов позволит существенно снизить их себестоимость. Другим перспективным направлением для решения поставленных в Проекте задач является создание так называемых естественных алюмоматричных композиционных материалов эвтектического типа. Эвтектики по своей природе, как правило, являются высокотехнологичными сплавами, что позволяет получать из них изделия как традиционными металлургическим технологиями, так и современными цифровыми методами послойного 3D выращивания из порошков. Из научного задела авторов настоящей заявки следует, что система легирования Al-Ca-Cu(-Si, Mn) является одной из наиболее перспективных для конструирования новых сплавов с повышенным уровнем механических и технологических свойств. Кальций обеспечивает формирование в структуре сплавов ультрадисперсной эвтектики, объемная доля которой не менее 15 %, а медь, растворяясь в алюминиевой матрице, обеспечивает дополнительное упрочнение при старении сплава. Подобное сочетание структурных составляющих позволит комбинировать упрочнение от дисперсных эвтектических кальцийсодержащих интерметаллидов, которые будут вносить наибольший вклад в упрочнение сплава при повышенных температурах (свыше 250 °С), с эффектом от классического дисперсионного твердения, которое будет вносить наибольший вклад в упрочнение сплава при температурах от 25-250 °С. К научной новизне настоящего проекта также следует отнести то, что будет впервые показана возможность использования эвтектических сплавов альтернативных систем (взамен промышленным Al-Si сплавам), в частности на основе Al-Ca-Cu(-Si, Mn), для послойного синтеза изделий из порошков методом селективного лазерного сплавления.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Акопян Т.К., Белов Н.А., Летягин Н.В., Милович Ф.О., Фортуна А.С. Increased precipitation hardening response in Al-Si-Cu based aluminum casting alloy with In trace addition Materials Today Communications, Volume 27, June 2021, 102410 (год публикации - 2021)
10.1016/j.mtcomm.2021.102410

2. Шуркин П.К., Акопян Т.К., Летягин Н.В. Влияние микродобавки индия на структуру и упрочнение бинарных Al−Cu-сплавов Физика металлов и металловедение (год публикации - 2021)

3. Акопян Т.К., Шуркин П.К., Летягин Н.В., Милович Ф.О., Фортуна А.С., Кошмин А.Н. Structure and precipitation hardening response in a cast and wrought Al-Cu-Sn alloy Materials Letters, Том 300, страницы 130090 (год публикации - 2021)
10.1016/j.matlet.2021.130090

4. Акопян Т.К., Белов Н.А., Летягин Н.В., Милович Ф.О., Лукьянчук А. А., Фортуна А.С. Influence of indium trace addition on the microstructure and precipitation hardening response in Al–Si–Cu casting aluminum alloy Materials Science & Engineering A, Том 831, страницы 142329 (год публикации - 2021)
10.1016/j.msea.2021.142329

5. Акопян Т.К., Белов Н.А., Лукьянчук А. А., Летягин Н.В., Милович Ф.О., Фортуна А.С. Characterization of structure and hardness at aging of the A319 type aluminum alloy with Sn trace addition Journal of Alloys and Compounds, Том (vol.) 921, стр. 166109 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2022.166109

6. Акопян Т.К., Летягин Н.В., Белов Н.А., Фортуна А.С., Нгуен С.З. The role of Sn trace addition in the precipitation behavior and strengthening of the wrought Al–Cu–Mnbased alloy Journal of Materials Science, (2023) (год публикации - 2023)
10.1007/s10853-023-08513-4

Публикации