Разработка новых термостойких дисперсионно-твердеющих Al-Cu(-Sn) сплавов с иерархической структурой, образованной в результате комплексного легирования дисперсоидо- (Mn, Si, Zr, Sc) и эвтектикообразующими (Ca, Si, Ni, Fe) добавками.

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 23-79-10147

НазваниеРазработка новых термостойких дисперсионно-твердеющих Al-Cu(-Sn) сплавов с иерархической структурой, образованной в результате комплексного легирования дисперсоидо- (Mn, Si, Zr, Sc) и эвтектикообразующими (Ca, Si, Ni, Fe) добавками.

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 №85 - Конкурс 2023 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
Использование жаропрочных алюминиевых сплавов взамен более тяжелых сталей, чугунов или бронз находит все более широкое распространение в промышленных производствах не только развитых, но и развивающихся экономик. Однако все возрастающие требования к экологичности металлургического производства, себестоимости и к уровню технологических и эксплуатационных свойств готовых изделий вынуждают исследователей во всем мире активно вести разработки в области алюминиевых сплавов с повышенным уровнем свойств. Медь является относительно доступным и одним из базовых добавок во многих системах легирования, связанных с наиболее прочными и жаропрочными литейными и деформируемыми алюминиевыми сплавами. Упрочнение в таких сплавах обусловлено формированием в результате распада пересыщенного алюминиевого твердого раствора (далее (Al)) упрочняющих продуктов распада, представленных метастабильными предвыделениями интерметаллидных соединений типа Al2Cu (θ-фаза), Al2CuMg (S-фаза), Al4CuMg5Si4 (W-фаза), Al5Mg8Si6Cu2 (Q-фаза) и. т.д. Деформируемые (типа 2214 (Д16), 2219 (Д20), 2618 (АК4), 2519 и т.д.) и литейные сплавы (типа А319), упрочняемые в результате формирования данных выделений, обладают сбалансированным сочетанием прочности, пластичности, термостойкости. Однако свыше ~200-250 °C алюминиевые сплавы испытывают резкое разупрочнение вследствие коагуляции упрочняющих нановыделений с последующей трансформацией в стабильную грубую фазу, формирование которой приводит к падению механических свойств. При этом по некоторым оценкам, например, температура головки блока цилиндров в проектируемых двигателях с повышенной удельной мощностью увеличивается со стандартных ~230 °C до ~300 °C, а по другим оценкам и до 350 °C, что для марочных сплавов является недостижимым пределом. Дальнейшее повышение уровня эксплуатационных характеристик Al-Cu сплавов способствовало бы более широкому внедрению легких алюминиевых сплавов в промышленном производстве. В ходе выполнения предыдущего проекта РНФ (№ 20-79-10373) удалось показать и обосновать, что комплексное легирование малыми добавками Sn, Mn и Si позволяет повысить как прочность, так и термостойкость Al-Cu сплавов. При этом в литературе сообщается о существенном повышении термостойкости сплавов при комплексном легировании малыми добавками Mn и Zr(Sc). Предлагаемая в настоящей работе концепция по совмещению обоих этих подходов, то есть комплексное легирование сплавов на базе Al-Cu(-Sn) малыми добавками дисперсоидообразующих добавок (Mn, Si, Zr(Sc)) для разработки новых термостойких деформируемых сплавов с превосходящим уровнем свойств, является абсолютно уникальной и ранее не рассматривался не в отечественной, не в международной практике. Кроме того, планируется также изучение влияния эвтектической структуры, образованной добавками (Ca, Si, Ni, Fe), на структуру и свойства новых сплавов типа Al-Cu(-Sn)- (Mn, Si, Zr(Sc)). Таким образом, другая составляющей научной новизны предлагаемого проекта заключается в рассмотрении как совершенно уникальных сплавов и систем легирования, как, например, система Al-Cu-Ca-Si-(Sn, Mn, Zr, Si), так и сплавов и систем близких к марочным, например сплавы на базе Al-Cu(Mg)-Ni-Fe, но отличающихся как составом матрицы, так и наличием комплекса малых добавок (Sn, Zr, Sc, Si). Следует отметить, что запланированные работы по предлагаемому проекту будут производиться с привлечением передовых экспериментальных методов анализа. В частности, для анализа структуры и фазового состава будут использоваться как относительно доступные экспериментальные методы как сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия (включая высокого разрешения), рентгенофазовый анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия, так и довольно уникальный метод атомно-зондовой томографии. Кроме того, будут использоваться передовые методы анализа физико-механических свойств (испытания на растяжение, анализ микротвердости, удельной электропроводности) в широком диапазоне температур (25-350 °С).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Акопян Т.К., Летягин Н.В., Фортуна А.С. Влияние малой добавки кремния на термическую стабильность упрочнения и структуру частиц 𝜃′-фазы при отжиге сплава типа 2219 с добавкой Sn Металлург (Metallurgist) (год публикации - 2024)

2. Акопян Т.К., Лукьянчук А. А., Летягин Н. В., Милович Ф. О., Соловьев И. С. Remarkable increase in heat resistance of precipitation structure in 2219 alloy via preferable segregation of alloying elements at semicoherent θ′/(Al) interface Materials Letters, том 393, стр. 138584 (год публикации - 2025)
10.1016/j.matlet.2025.138584

3. Акопян Т.К., Летягин Н.В., Лукьянчук А.А., Соловьев И.С., Фортуна А.С. Влияние старения и стабилизирующего отжига при повышенных температурах (250-300 °С) на структуру продуктов старения и твердость сплава Al-Cu-Sn Металлург (Metallurgist) (год публикации - 2025)

4. Акопян Т.К., Летягин Н.В., Кошмин А.Н. New wrought heat treatable aluminum alloy based on the Al-Cu-Ca-Si system JOM (JOURNAL OF THE MINERALS METALS & MATERIALS SOCIETY), Vol. 76, No. 9, 2024 (год публикации - 2024)
10.1007/s11837-024-06703-2

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Для изучения возможности повышения термостойкости и жаропрочности были проведены исследования новой группы сплавов с содержанием переходных металлов, в первую очередь Mn до 1,5 масс.% и Zr до 0,4 масс.%. Исследование влияния различных режимов термической и термомеханической обработки на изменение твердости и УЭП литых и деформированных экспериментальных сплавов выявили, что применение предварительного ступенчатого отжига слитков в интервале температур 300-400 °С с последующим нагревом и закалкой в воду для литых сплавов или деформационной обработкой при 400-450 °С и последующего стабилизирующего отжига при 350 °С с выдержкой не менее 100 ч как для литых, так и для деформированных материалов позволяет достичь исключительно высокой термостойкости и твердости, составляющей 95-100 HV. Анализ тонкой структуры сплавов после термической или термомеханической обработки с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и атомно-зондовой томографии выявил формирование большого количества Mn и Zr содержащих дисперсоидов с небольшим количеством кристаллов θ′-фазы. Согласно полученным данным Zr ожидаемо входит в состав фазы Al3Zr, тогда как Mn образует нехарактерные гораздо более дисперсные округлые частицы (со средним диаметром 30-50 нм) в сравнении с ожидаемыми вытянутыми дисперсоидами фазы Al20Cu2Mn3 с характерным размером 100-150 нм. Результаты рентгенофазового анализа позволили установить структуру и тип метастабильного химического соединения (AlMn), ранее не наблюдавшегося в алюминиевых сплавах. Для новой группы термически упрочняемых кальцийсодержащих сплавов Al-Cu-Сa-Si-(Mn, Zr(Sc), Sn) были проведены комплексные исследования структуры, фазового состава и физико-механических свойств с целью достижения наилучшего сочетания механических свойств как при комнатной, так и при повышенных температурах. В качестве сравнения рассматривался промышленный сплав АК4-1. Для этого были проведены исследования фазовых равновесий в соответствующих системах Al-Cu-Сa-Mn и Al-Cu-Сa-Si-Mn. С использованием методов СЭМ, МРСА, РФА был установлен весьма сложный фазовый состав сплавов данных групп. В четверной системе Al-Cu-Сa-Mn установлено наличие нового ранее неописанного четверного стехиометрическое соединения T2(AlCuCaMn), для которого также удалось произвести расшифровку кристаллической структуры (структурный тип tI26/1), определить химический состав и другие физико-механические свойства. Анализ четверной диаграммы Al-Cu-Сa-Mn показал, что квазитройное сечение Al2Cu+T2+(Al) и четверная область Al2Cu+T2+(Al)+Al20Cu2Mn3 являются перспективными с точки зрения конструирования новых термически упрочняемых сплавов. Результаты последующих исследований показали, что сплавы на основе Al-(5-6,5)%Cu-Ca-Mn, полученные в виде слитков и подвергнутые горячей прокатке и последующей термической обработке на максимальную твердость, обладают высокой склонностью к дисперсионному твердению, не уступающему таковой для промышленных сплавов. Анализ тонкой структуры показал, что наблюдаемое упрочнение обусловлено формированием классических пластинчатых выделений θ′-фазы. Полученный листовой прокат из перспективных сплавов в состоянии максимального упрочнения был подвергнут механическим испытаниям при комнатной температуре. Результаты испытаний выявили высокое сочетание механических свойств: передел текучести ~295 МПа, предел прочности ~435 МПа и относительное удлинение ~12,5 %. Проведенные механические испытаний при повышенной температуре 350 °С также выявили превосходство новой группы материалов в сравнении с промышленным аналогом сплавом АК4-1 (предел текучести нового кальцийсодержащего сплава оказался на ~30 % выше). В качестве альтернативы эвтектикообразующей добавке кальция изучена возможность применения Ni и РЗМ Ce-группы в термически упрочняемых сплавов с Al-Cu-Mn матрицей. С этой целью были проведены предварительные теоретические исследования фазовых равновесий в новых системах с использованием термодинамического моделирования в программе Thermo-Calc. По результатам расчетов установлены оптимальные составы сплавов, которые далее были синтезированы в виде плоских слитков. Результаты РФА выявили для сплавов с La ранее не описанное четверное соединение (AlCuLaSi), для которого произведена расшифровка кристаллической структуры (структурный тип tP8/19). Результаты анализа фазового состава сплавов с Ni оказались в хорошем соответствии с данными теоретического анализа. Для сплавов в литом состоянии производно изучение влияния различных режимов термической обработки на твердость и УЭП. Анализ влияния термической обработки выявил высокий эффект упрочнения в процессе старения новых сплавов. Анализ термостойкости в процессе различных режимов отжига, включающий стабилизирующий отжиг при 350 °С при выдержке не менее 100 ч, также выявил перспективность новых групп материалов, которые далее планируются получить в виде деформированных полуфабрикатов.

Публикации