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 22-19-00810
НазваниеИсследование влияния малых добавок Hf, Er, Zr в экономно легированные скандием алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния, на формирование микроструктуры при литье и термомеханической обработке
Руководитель Арышенский Владимир Юрьевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" , Самарская обл
Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-102 - Механика технологических процессов
Ключевые слова Микроструктура, частицы структурного типа L12, отливки, термическая обработка, алюминиевые сплавы, легирование переходными металлами, интерметаллиды, дисперсоиды
Код ГРНТИ53.81.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из перспективных направлений развития материалов является изучение сплавов системы Al-Mg c добавками переходных элементов (ПЭ). Малая диффузионная подвижность переходных металлов в кристаллической решетке алюминия позволяет получать при кристаллизации сплавов пересыщенные твёрдые растворы даже при сравнительно невысоких скоростях охлаждения, характерных при промышленном литье слитков. При выделении из пересыщенного твердого раствора дисперсных когерентных дисперсоидов c ГЦК решеткой структурного типа L12 Al3(ПЭ1x,ПЭ2(1-х)) подавляются процессы возврата и рекристаллизации и повышая, тем самым прочностные характеристики изделий полученных горячей деформацией. Кроме того они как правило существенно модифицируют литую структуру. Наибольший эффект при этом достигается при легировании малыми добавками Sc. Как показывает структурно-фазовый анализ, фаза Al3Sc относится у структурному типу L12, когерентно связана с матрицей сплава. Однако дисперсоиды Al3Sc при температурном воздействии быстро коагулируют, фаза Al3Sc увеличивается в размерах, а граница с алюминиевой матрицей теряет когерентность. Вторая проблема, которая возникла практически сразу же после создания, на площадке ВИЛС в конце 70-х годов прошлого века, сплава 01570 (магналий, содержащий от 0,17 до 0,27 % вес. скандия) – это высокая стоимость деформированных полуфабрикатов из этого и ему подобных сплавов, связанная с большой стоимостью входящего в их состав скандия. Стоимость полуфабрикатов из сплава 01570 значительно, превышает стоимость аналогичных полуфабрикатов из сплава АМг6.
Из вышеописанных проблем возникают две задачи, первая относится к поиску способов сохранения когерентной границы между частицами и матрицей в процессе производства полуфабрикатов из сплавов, содержащих скандий, в том числе и при проведении высокотемпературных операций, таких как, гомогенизация слитков, нагрев перед горячей обработкой металла давлением и окончательных отжигов. Сохранение когерентности границ при повышенных температурах позволит повысить как кратковременную, так и долговременную жаропрочность материала.
Вторая задача заключается в определении пути снижения стоимости деформированных полуфабрикатов из сплавов на основе системы Al-Mg-Sc. Самый простой путь – это снижение содержания скандия в сплаве при одновременном повышении содержания основных легирующих элементов, по нему пошли разработчики экономно легированных скандием сплавов 1575-1 и 1580. Однако, данные сплавы заметно уступают по прочностным свойствам сплавам 1575 и 01570. Более того в промышленном производстве данных сплавов столкнулись с проблемой крупных интерметаллидов, которые являются следствием того, что такие элементы как хром, марганец, скандий, цирконий и титан снижают взаимную растворимость друг друга в алюминиевой матрице.
Тем не менее решение поставленных задач по-прежнему может быть найдено за счет дополнительного легирования скандиево содержащих сплавов переходными металлами, имеющие большую предельную растворимость и меньшую диффузионную активность. В этом направлении проведено много работ профессором Захаровым В.В. и его коллегами. Так например установлено, что максимальный эффект упрочнения после длительных высокотемпературных выдержек имеют сплавы Al-Sc-Zr с соотношением содержания скандия и циркония 1:1 (при этом содержания скандия снижается вдвое при сохранении прочностных свойств). После этого открытия цирконий является неотъемлемым компонентом для экономнолегированных скандием сплавов. При добавках таких элементов как цирконий, гафний и эрбий сплавы сохраняют все известные достоинства (высокая коррозионная стойкость и трещиностойкость, прекрасная свариваемость, высокие прочностные характеристики), но вместе с тем повышаются прочностные свойства, в том числе и теплопрочность. Причина повышения механических свойств алюминиевых сплавов Al-Mg с добавками Er\Yb\Hf по сравнению со сплавами не содержащими Er\Zr\Hf заключается, в образовании при распаде твердого раствора вторичных сложных частиц Al3(Zr,Sc,Hf,Er) с упорядоченной и термически стабильной структурой. Частицы имеют форму близкую к сферической, в центре которых в виде ядра концентрируются атомы Er, ядро покрыто внутренней оболочкой из атомов скандия и снаружи частицы покрыты внешней устойчивой оболочкой из атомов циркония и гафния. Такие частицы повышают прочностные характеристики при комнатной температуре, повышают температуру рекристаллизации и, что очень важно, обеспечивают низкий темп снижения прочности сплава при повышении температуры и более высокие значения предела длительной прочности и ползучести. Растворимость гафния в алюминии одна из наиболее высоких среди переходных металлов и добавление которого возможно без опасения ухудшения ситуации с образованием крупных первичных интерметаллидов. Гафний обладают более низкой скоростью диффузии, чем цирконий, что позволяет рассчитывать на повышенный эффект торможение процесса коагуляции частиц, в составе которых они будут находится, однако влияние гафния менее изучено и поэтому представляет наибольший научный интерес. Тем не менее, в настоящее время гафний уже успешно используют в промышленности для эффективного измельчения зерна в алюминиевых сплавах. Основная цель легирования алюминиевых сплавов со скандием дополнительно гафнием, это повышение термостабильности частиц структуры L12. Повышение температуры стойкости дисперсоидов до температур свыше 400 °С, за счет образования блокирующий рост частицы оболочки, открывает ряд дополнительных возможностей, как в режимах обработки металла давлением, так и в расширении условий эксплуатации изделий, изготовленных из этих новых сплавов. Добавки Er позволяют снизить требуемое количество дорогостоящего скандия. Эрбий, может замещать скандий в упрочняющих частицах до 33%.
В настоящее время нами не обнаружены работы, где бы изучались комплексное влияние все трех элементов на микроструктуру и свойства системы магний. В то время как для научно обоснованного применения режимов термомеханической обработки необходимо понимать, как комбинированное малыми добавками Zr,Hf,Er влияет на формирование микроструктуры при литье и на всех этапах термомеханической обработки.
Целью исследования является изучение влияния режимов литья и термомеханической обработки на формирование зеренной структуры, субструктуры, упрочняющих наночастиц структурного типа L12 в высокомагниевых сплавов с экономным скандиевым легирование и комплексными малыми добавками Zr,Hf,Er.
Основными задачами работы являются:
1) Определение совместной растворимости переходных металлов (Sc, Zr, Hf, Er и Mn) в алюминиевом твердом растворе (после литья) в зависимости от их концентраций, температуры литья и скорости охлаждения;
2) Расчетное определение температур ликвидуса и солидуса сплава при помощи программы Thermo-Calc в зависимости от различного содержания легирующих, с практическим подтверждением;
3) Определение механических свойств отливок из нового сплава и проведения сравнения их со сплавами аналогами (1580 и 1581) в здесь и далее в сплавах системы Al-Mg-Mn-Zn-Sc-Zr-Er-Hf.
4) Определение кинетики распада пересыщенного раствора в диапазоне температур от 260 до 450 °С.
5) Определение критических температур и выдержек, при которых происходит коагуляция упрочняющих частиц структурного типа L12.
6) Изучение термической стабильности упрочняющих частиц наночастиц структурного типа L12
7) Определение механических свойств при повышенных температурах до 150 °С, и сравнения их со сплавами аналогами, например 1580.
8) Изучение влияние литья термомеханической обработки на эволюцию, зеренной структуры, структуры, наночастиц для сплавов системы Al-Mg-Mn-Zn-Sc-Zr-Er-Hf.
9) Разработка технологических рекомендаций по режимам горячей прокатки катанных полуфабрикатов из нового сплава системы Al-Mg-Mn-Zn-Sc-Zr-Er-Hf.
По выше представленным задачам в настоящее время имеется недостаточно информации, и они являются актуальными. Разработка технологии получения катаных полуфабрикатов из нового сплава с повышенными прочностными показателями и повышенной рабочей температурой, позволит значительно расширить области применения алюминиевых сплавов, повысить ресурс и надежность работы изделий и снизить их вес на 15-20%. Новый материал востребован, особенно в транспортном машиностроение.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Бахтегареев И. Д., Рагазин А. А., Арышенский Е. В., Арышенский В. Ю. Исследование влияния режимов термической обработки на микротвердость в алюминиевых высокомагниевых сплавах с добавлением переходных металлов Сборник статей 3-й Международной конференции: Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов (СМП-03), №3, 48-52 (год публикации - 2022)
2.
Рагазин А. А., Арышенский Е. В., Арышенский В. Ю., Дриц А.М., Коновалов С.В.
Исследование распада пересыщенного твердого раствора в новых высокомагниевых сплавах, экономнолегированных малыми скандиевыми добавками
Фундаментальные проблемы современного материаловедения, т. 19, №4, 491-500 (год публикации - 2022)
10.25712/ASTU.1811-1416.2022.04.008.
3.
Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю., Дриц А.М., Гречников Ф. В., Рагазин А.А.
Влияние режимов термической обработки на механические свойства алюминиевых сплавов 1570, 1580 и 1590
Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, № 4, т.21, c. 76-87 (год публикации - 2022)
10.18287/2541-7533-2022-21-3-76-87
4.
Арышенский В.Ю., Гречников Ф.В., Арышенский Е.В., Ерисов Я.А., Коновалов С.В., Тептерев М.С., Кузин А.О.
Alloying Elements Effect on the Recrystallization Process in Magnesium-Rich Aluminum Alloy
Materials, №15, с. 7062 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15207062
5. Бахтегареев И.Д., Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Арышенский Е.В. Влияние режимов термической обработки на механические свойства алюминиевых сплавов 1570, 1580 и 1590 Перспективные материалы конструкционного и функционального назначе-ния : сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции, №1,23-26 (год публикации - 2022)
6. Рагазин А.А., Бахтегареев И.Д., Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю., Дриц А.М., Коновалов С.В. Исследование распада пересыщенного твердого раствора в новых алюминиевых высокомагниевых сплавах экономно легированных малыми скадиевыми добавками Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов, В сборнике: Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов. Сборник тезисов. Научно-технический семинар. Москва, 2022. С. 38. (год публикации - 2022)
7. Арышенский В.Ю., Арышенский Е.В., Рагазин А.А., Бахтегареев И.Д., Коновалов С.В. Исcледование влияния гафния и эрбия на микроструктуру литейной заготовки в высокомагниевом алюминиевом сплаве экономнолегированным скандием Металлургия : технологии, инновации, качество : труды XXIII Международной научно-практической конференции. В 2 частях. Часть 1, №1, 156-161 (год публикации - 2022)
Публикации
1. Клепов Д.Н. Изучение влияния легирования гафнием и эрбием на микроструктуру холоднокатаной ленты опытного сплава 1590 после отжигов 78-е Дни науки студентов НИТУ МИСИС международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции, 78-е Дни науки студентов НИТУ МИСИС международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции, сборник тезисов, 2023, с. (год публикации - 2023)
2. Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В., Арышенский Е.В., Бахтегареев И.Д. Изучение влияния содержания гафния и эрбия на формирование микроструктуры при литье алюминиевого сплава 1590 в медный кокиль Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты), 2024 (год публикации - 2024)
3. Рагазин А.А., Бахтегареев И.Д., Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю. Исследование влияния температуры отжига на механические свойства листов из сплавов системы al-mg легированных переходными металлами (Sc, Zr, Hf, Er) VIII Всероссийская конференция по наноматериалам. Москва. 21-24 ноября 2023 г., VIII Всероссийская конференция по наноматериалам. Москва. 21-24 ноября 2023 г. / Сборник материалов. 2023, с.200-201 (год публикации - 2023)
4. Бахтигареев И.Д., Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Арышенский Е.В. Исследование влияния скорости кристаллизации на размер зерна в высокомагниевых алюминиевых сплавах с добавлением РЗМ 22-я Международная конференция «Авиация и космонавтика». 20-24 ноября 2023 года. Москва. Тезисы., 22-я Международная конференция «Авиация и космонавтика». 20-24 ноября 2023 года. Москва. Тезисы. 2023, с.281-282 (год публикации - 2023)
5. Зорин И.А., Клепов Д.Н., Рагазин А.А., Арышенский В.Ю. Исследование тонкой структуры в высокомагниевых алюминиевых экономнолегированных скандием сплавах с добавлением переходных металлов после термической обработки Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения : труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 16–17 мая 2023 г. Выпуск 27. Часть I. Естественные и технические науки., Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения : труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 16–17 мая 2023 г. Выпуск 27. Часть I. Естественные и технические науки. 2023. с. 168-173 (год публикации - 2023)
6. Рагазин А. А., Арышенский Е.В., Арышенский В. Ю., Дриц А. М., Коновалов С. В. Изучение влияния добавок Er и Hf на литую микроструктуру и механические свойства высокомагниевого алюминиевого сплава 1590 экономно легированного скандием Ползуновский вестник (год публикации - 2023)
7. Арышенский E. В., Арышенский B. Ю., Рагазин A. А., Распосиенко Д. Ю., Гречников Ф. В., Макаров В. В., Коновалов C. В. Влияние добавок Hf и Er на формирование механических свойств и микроструктуры в сплавах системы Al-Mg-Sc-Zr Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Третий год работы в рамках данного гранта включал большой комплекс экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изучение влияния термомеханической обработки сплавов с комбинированным содержанием скандия, гафния, эрбия и циркония, ее связи с процессами рекристаллизации и механическими свойствами. Исследования проводились в двух направлениях. Первое рассматривало влияние одноступенчатой термической обработки на механические свойства и микроструктуру листов в холоднокатаном состоянии после проведения отжигов листов в диапазоне температур от 3300С до5500С. Второе направление рассматривало влияние двухступенчатой термической обработки на механические свойства и микроструктуру листов в холоднокатаном состоянии после проведения отжигов листов в диапазоне температур от 3300С до 5500С. Дополнительно исследовалась зависимость микротвердости и электропроводности от режима теромеханической обработки как на горячекатаных заготовках, так и на листах после холодной прокатки. Кроме того, было изучено формирование частиц Al3(ScZrHf) в высокомагниевых алюминиевых сплавах при различной термомеханической обработке в холоднокатаном состоянии и после отжига листа. Для этих исследований использовался большой набор методов: измерение электропроводности и микротвердости, испытания на одноосное растяжение, просвечивающую, оптическую и сканирующую микроскопию. В ходе исследования установлено, что максимальное легирование сплавов гафнием способствует рекристаллизации структуры. Исследование температуры горячей прокатки выявило, что наиболее высокими показатели микротвердости у горячекатаных образцов исследуемых сплавов становятся при температуре горячей прокатки 4500С, вне зависимости от режима термической обработки. Определено, что двухступенчатая термическая обработка способствует улучшению механических свойств по сравнению с одноступенчатой за счет увеличения дисперсности и уменьшения размера частиц как в холоднокатаных листах, так и после отжига. Частицы распределены равномерно по всему объему ячеек и не происходит их коагуляция. Содержание эрбия в данных частицах не было выявлено, вследствие низкой растворимости эрбия в алюминии, в результате чего первичные интерметаллиды образуются сразу после литья. На данном этапе принято к печати 4 статьи в журналах, индексируемых в Scopus/WoS и RSCI, результаты исследования были представлены на 4 научных конференциях.
Публикации
1. Арышенский Е.В., Малкин К.А., Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В. Исследование влияния гафния на микроструктуру алюминиево-магниевого сплава при высокотемпературном отжиге Горячие точки химии твердого тела: ориентированные фундаментальные исследования [Электронный ресурс] : IV Междунар. конф., посвящ. 80-летию Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (2–4 июля 2024 г., Новосибирск, Академгородок) , с. 100 (год публикации - 2024)
2. Арышенский Е.В., Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В.,Бахтегареев И.Д. Исследование влияния режима гомогенизации после высокотемпературной горячей прокатки на механические свойства листов в высокомагниевых алюминиевых сплавов с добавками SC, ZR, HF И ER XXIV Международная научно-практическая конференция «МЕТАЛЛУРГИЯ: ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ, КАЧЕСТВО» «МЕТАЛЛУРГИЯ - 2024», Россия, г. Новокузнецк, СибГИУ, 15-17 октября 2024 г., с. 178-180 (год публикации - 2024)
3. Арышенский Е. В., Арышенский В. Ю., Дриц А. М., Распосиенко Д. Ю., Коновалов С. В., Рагазин А. А., Лукянчук А. А., Макаров В. В. Влияние Hf и Er на эволюцию микроструктуры при термической обработке сплавов Al-Mg с комбинированным Sc-Zr микролегированием Физика Металлов и Металловедение (год публикации - 2025)
4. Арышенский Е.В., Рагазин А.А., Распосиенко Д.Ю., Коновалов С.В., Арышенский В.Ю., Лапшов М.А. Исследование влияния режима гомогенизации на механические свойства и микроструктуру листа из алюминиевого высокомагниевого сплава с добавками скандия, циркония, гафния и эрбия Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова (год публикации - 2025)
5. Пимонов М.А., Рагазин А.А., Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В. Исследование влияния температуры гомогенизации на механические свойства листов высокомагниевых алюминиевых сплавов с добавками Sc, Zr, Hf И Er Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии: тезисы докладов Международной конференции, 09-12 сентября 2024 года, Томск, Россия., с. 515-516 (год публикации - 2024)
6. Малкин К.А., Рагазин А.А., Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В. Исследование влияния температуры горячей прокатки на механические свойства листов в высокомагниевых алюминиевых сплавов с добавками Sc, Zr, Hf и Er Цветные металлы и минералы – 2024 [Электронный ресурс]: Сборник тезисов докладов двенадцатого международного конгресса (г. Красноярск, 9-13 сентября 2024 г.). – Электрон. текстовые дан. – Красноярск: Научно-инновационный центр, 2024 , с. 609-610 (год публикации - 2024)
7. Тептерев М.С., Арышенский Е.В., Рагазин А.А., Бахтегареев И.Д., Арышенский В.Ю Исследование влияния гафния и эрбия в высокомагниевых сплавах экономнолегированных скандием на механические свойства после литья и термической обработки Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения : труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 15-16 мая 2024 г. Выпуск 28. Часть 1. Естественные и технические науки / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Сибирский государственный индустриальный университет ; под общ. ред. С. В. Коновалова. – Новокузнецк : Издательский центр СибГИУ, 2024., с. 123-128 (год публикации - 2024)
8. Рагазин А.А., Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю., Распосиенко Д.Ю, Коновалов С.В., Бахтегареев И.Д. Влияние микролегирования эрбием и гафнием на формирование частиц Al3Sc в алюминиевом сплаве с высоким содержанием магния Frontier Materials & Technologies (год публикации - 2025)
9. Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю., РагазинА.А., Коновалов С.В. Изучение влияния двухстпенчатой гомогенизации на формировании микроструктуры и механических свойств высокомагниевых алюминиевых сплавах с малыми скандиевыми добавками Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». Москва. 22-26 октября 2024 г. Сборник тезисов. – М: НИТУ МИСИС, 2024, 152 с., с. 129 (год публикации - 2024)
10. Рагазин А. А., Арышенский Е. В., Арышенский В. Ю., Распосиенко Д. Ю., Лукьянчук А. А., Коновалов C. В. Исследование влияния гафния на формирование микроструктуры при высокотемпературной термической обработке алюминиевых высокомагниевых сплавов со скандиевым-циркониевым микролегированием Физическая мезомеханика (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Полученные в проекте закономерности по влиянию таких переходных элементов как Цирконий, Эрбий и Гафний на наночастицы Al3SC являются во многом универсальными для высокомагниевых (и не только алюминиевых сплавов). Это позволяет использовать результаты проекта для подбора правильных композиций Zr, Hf и Er для разработки новых экономнолегированных скандием алюминиевых сплавов, а также оптимизации процессов их термодеформационной обработки