Frontier Materials & Technologies. 2022; : 38-48
Исследование распада пересыщенного твердого раствора в высокомагниевых алюминиевых сплавах со скандием, легированных гафнием
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-4-38-48Аннотация
Алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния и малыми скандиевыми добавками очень распространены во многих отраслях современной промышленности вследствие высокого уровня их механических свойств. В то же время остается актуальной проблема низкой термостабильности частиц Al3Sc, что не дает проводить деформационную обработку данной группы сплавов при температуре свыше 400 °С. Одним из способов решения этой проблемы может стать добавление гафния, который образует оболочку вокруг частиц Al3Sc и за счет низкого коэффициента диффузии в алюминиевой матрице снижает скорость их коагуляции. В работе изучено влияние добавления 0,2 и 0,5 % Hf на электропроводность и процесс распада пересыщенного твердого раствора, а также на размер и количество наночастиц в высокомагниевом алюминиевом сплаве 1570 при его термической обработке. Проведено изучение кинетики распада пересыщенного твердого раствора в сплавах 1570, 1570–0,2Hf и 1570–0,5Hf методом замера электропроводности. Построены C-кривые, описывающие распад пересыщенного твердого раствора в исследуемых сплавах в температурном диапазоне 260–440 °С. Кроме того, с помощью просвечивающей электронной микроскопии были исследованы упрочняющие наночастицы сплавов 1570 и 1570–0,5Hf при нагреве до 370 °С и 4-часовой выдержке. Исследование показало, что добавки гафния существенно замедляют распад пересыщенного твердого раствора в сплаве 1570. Установлено, что в сплавах, легированных гафнием, распад пересыщенного твердого раствора наиболее интенсивно происходит при температуре 350 °С, а в сплавах без добавок гафния – при 430 °С. Данные просвечивающей микроскопии подтверждают, что в сплаве 1570 без гафния наблюдается в 3–4,5 раза больше наночастиц, чем в сплаве 1570–0,5Hf.
Список литературы
1. Du H., Zhang S., Zhang B., Tao X., Yao Zh., Belov N., van der Zwaag S., Liu Z. Ca-modified Al–Mg–Sc alloy with high strength at elevated temperatures due to a hierarchical microstructure // Journal of Materials Science. 2021. Vol. 56. № 28. P. 16145–16157. DOI: 10.1007/s10853-021-06310-5.
2. Belov N.A., Naumova E.A., Akopyan T.K., Doroshenko V.V. Phase diagram of the Al-Ca-Fe-Si system and its application for the design of aluminum matrix composites // JOM. 2018. Vol. 70. № 11. P. 2710–2715. DOI: 10.1007/s11837-018-2948-3.
3. Конюхов А.Д., Дриц А.М., Шуртаков А.К. Свойства сплава 1565чМ и его сварных соединений // Технология легких сплавов. 2013. № 3. С. 113–120. EDN: RNJWPD.
4. Пантелеев М.Д., Бакрадзе М.М., Скупов А.А., Щербаков А.В., Белозор В.Е. Технологические особенности сварки плавлением алюминиевого сплава В-1579 // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 3. С. 11–17. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-11-17.
5. Aryshenskii E.V., Guk S.V., Galiev E.E., Drits A.M., Kavalla R. Possibility of application of a 1565ch alloy in the automotive industry // Russian Metallurgy (Metally). 2018. Vol. 2018. № 10. P. 995–1001. DOI: 10.1134/S0036029518100026.
6. Langelandsvik G., Eriksson M., Akselsen O., Roven H. Wire arc additive manufacturing of AA5183 with TiC nanorarticles // International journal of advanced manufacturing technology. 2022. Vol. 119. № 1-2. P. 1047–1058. DOI: 10.1007/s00170-021-08287-6.
7. Елагин В.И., Захаров В.В., Филатов Ю.А., Ростова Т.Д. Разработка перспективных алюминиевых сплавов, легированных скандием // Перспективные технологии легких и специальных сплавов: сборник статей. М.: Физматлит, 2006. С. 181–193.
8. Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys // International Materials Reviews. 2005. Vol. 50. № 1. P. 19–44. DOI: 10.1179/174328005X14311.
9. Захаров В.В., Фисенко И.А., Кунявская Т.М. Перспективы легирования алюминиевых сплавов скандием // Технология легких сплавов. 2020. № 1. С. 28–34. EDN: PDWRPX.
10. Davydov V.G., Elagin V.I., Zakharov V.V., Rostoval D. Alloying aluminum alloys with scandium and zirconium additives // Metal Science and Heat Treatment. 1996. Vol. 38. № 8. P. 347–352. DOI: 10.1007/BF01395323.
11. Zakharov V.V. Effect of scandium on the structure and properties of aluminum alloys // Metal Science and Heat Treatment. 2003. Vol. 45. № 7-8. P. 246–253. DOI: 10.1023/A:1027368032062.
12. Бронз А.В., Ефремов В.И., Плотников А.Д., Чернявский А.Г. Сплав 1570 С-материал для герметичных конструкций перспективных многоразовых изделий РКК «Энергия» // Космическая техника и технологии. 2014. № 4. С. 62–67. EDN: TJKPPL.
13. Li H-y., Li D-w., Zhu Z-x., Chen B-a., Chen X., Yang C-l., Zhang H-y., Kang W. Grain refinement mechanism of as-cast aluminum by hafnium // Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition). 2016. Vol. 26. № 12. P. 3059–3069. DOI: 10.1016/S1003-6326(16)64438-2.
14. Hallem H., Lefebvre W., Forbord B., Danoix F., Marthinsen K. The formation of Al3(ScxZryHf1−x−y)-dispersoids in aluminium alloys // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 421. № 1-2. P. 154–160. DOI: 10.1016/j.msea.2005.11.063.
15. Srinivasan S., Desch P.B., Schwarz R.B. Metastable phases in the Al3X (X = Ti, Zr, and Hf) intermetallic system // Scripta Metallurgica et Materiala. 1991. Vol. 25. № 11. P. 2513–2516. DOI: 10.1016/0956-716X(91)90059-A.
16. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р., Добаткина Т.В., Тарытина И.Е. Исследование процесса рекристаллизации в сплавах Al-Sc-Hf // Технология легких сплавов. 2010. № 1. С. 92–99. EDN: PUUUEF.
17. Knipling K.E., Dunand D.C., Seidman D.N. Precipitation evolution in Al–Zr and Al–Zr–Ti alloys during isothermal aging at 375–425 °C // Acta Materialia. 2008. Vol. 56. № 1. P. 114–127. DOI: 10.1016/j.actamat.2007.09.004.
18. Knipling K.E., Dunand D.C., Seidman D.N. Precipitation evolution in Al–Zr and Al–Zr–Ti alloys during aging at 450–600 °C // Acta Materialia. 2008. Vol. 56. № 6. P. 1182–1195. DOI: 10.1016/j.actamat.2007.11.011.
19. Harada Y., Dunand D.C. Creep properties of Al3Sc and Al3(Sc, X) intermetallics // Acta Materialia. 2000. Vol. 48. № 13. P. 3477–3487. DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00142-7.
20. Захаров В.В. Кинетика распада твердого раствора скандия в алюминии в двойных сплавах Al - Sc // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 7. С. 44–48. EDN: UAVTYF.
Frontier Materials & Technologies. 2022; : 38-48
The study of supersaturated solid solution decomposition in magnesium-rich aluminum alloys with scandium and hafnium additions
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-4-38-48Abstract
Magnesium-rich aluminum alloys with small scandium additives are widely used in many branches of modern industry due to the high level of their mechanical properties. However, the issue of low thermal stability of Al3Sc particles, which does not allow performing deformation processing of this group of alloys at a temperature above 400 °С, continues to be relevant. Hafnium addition can become one of the ways to solve this problem as hafnium forms a shell around the Al3Sc particles and, due to the low diffusion coefficient in the aluminum matrix, reduces their coagulation rate. The paper studies the influence of addition of 0.2 % and 0.5 % Hf on the electrical conductivity and the process of supersaturated solid solution decomposition, as well as on the size and quantity of nanoparticles in the 1570 magnesium-rich aluminum alloy at its thermal treatment. The authors studied the kinetics of supersaturated solid solution decomposition in the 1570, 1570–0.2Hf, and 1570–0.5Hf alloys by the electrical conductivity measuring and constructed C-curves describing the supersaturated solid solution decomposition in the studied alloys in the temperature range of 260–440 °С. Besides, using transmission electron microscopy, the strengthening nanoparticles of the 1570 and 1570–0.5Hf alloys were studied during heating to 370 °C and 4-hour soaking. The study showed that hafnium addition significantly slows down the supersaturated solid solution decomposition in the 1570 alloy. The authors identified that in the alloys with hafnium additives, the supersaturated solid solution decomposition is the most intense at a temperature of 350 °С, and in the alloys without hafnium – at a temperature of 430 °С. The transmission microscopy data confirm that the 1570 alloy without hafnium contains 3–4.5 times more nanoparticles than the 1570–0.5Hf alloy.
References
1. Du H., Zhang S., Zhang B., Tao X., Yao Zh., Belov N., van der Zwaag S., Liu Z. Ca-modified Al–Mg–Sc alloy with high strength at elevated temperatures due to a hierarchical microstructure // Journal of Materials Science. 2021. Vol. 56. № 28. P. 16145–16157. DOI: 10.1007/s10853-021-06310-5.
2. Belov N.A., Naumova E.A., Akopyan T.K., Doroshenko V.V. Phase diagram of the Al-Ca-Fe-Si system and its application for the design of aluminum matrix composites // JOM. 2018. Vol. 70. № 11. P. 2710–2715. DOI: 10.1007/s11837-018-2948-3.
3. Konyukhov A.D., Drits A.M., Shurtakov A.K. Svoistva splava 1565chM i ego svarnykh soedinenii // Tekhnologiya legkikh splavov. 2013. № 3. S. 113–120. EDN: RNJWPD.
4. Panteleev M.D., Bakradze M.M., Skupov A.A., Shcherbakov A.V., Belozor V.E. Tekhnologicheskie osobennosti svarki plavleniem alyuminievogo splava V-1579 // Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2018. № 3. S. 11–17. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-11-17.
5. Aryshenskii E.V., Guk S.V., Galiev E.E., Drits A.M., Kavalla R. Possibility of application of a 1565ch alloy in the automotive industry // Russian Metallurgy (Metally). 2018. Vol. 2018. № 10. P. 995–1001. DOI: 10.1134/S0036029518100026.
6. Langelandsvik G., Eriksson M., Akselsen O., Roven H. Wire arc additive manufacturing of AA5183 with TiC nanorarticles // International journal of advanced manufacturing technology. 2022. Vol. 119. № 1-2. P. 1047–1058. DOI: 10.1007/s00170-021-08287-6.
7. Elagin V.I., Zakharov V.V., Filatov Yu.A., Rostova T.D. Razrabotka perspektivnykh alyuminievykh splavov, legirovannykh skandiem // Perspektivnye tekhnologii legkikh i spetsial'nykh splavov: sbornik statei. M.: Fizmatlit, 2006. S. 181–193.
8. Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys // International Materials Reviews. 2005. Vol. 50. № 1. P. 19–44. DOI: 10.1179/174328005X14311.
9. Zakharov V.V., Fisenko I.A., Kunyavskaya T.M. Perspektivy legirovaniya alyuminievykh splavov skandiem // Tekhnologiya legkikh splavov. 2020. № 1. S. 28–34. EDN: PDWRPX.
10. Davydov V.G., Elagin V.I., Zakharov V.V., Rostoval D. Alloying aluminum alloys with scandium and zirconium additives // Metal Science and Heat Treatment. 1996. Vol. 38. № 8. P. 347–352. DOI: 10.1007/BF01395323.
11. Zakharov V.V. Effect of scandium on the structure and properties of aluminum alloys // Metal Science and Heat Treatment. 2003. Vol. 45. № 7-8. P. 246–253. DOI: 10.1023/A:1027368032062.
12. Bronz A.V., Efremov V.I., Plotnikov A.D., Chernyavskii A.G. Splav 1570 S-material dlya germetichnykh konstruktsii perspektivnykh mnogorazovykh izdelii RKK «Energiya» // Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii. 2014. № 4. S. 62–67. EDN: TJKPPL.
13. Li H-y., Li D-w., Zhu Z-x., Chen B-a., Chen X., Yang C-l., Zhang H-y., Kang W. Grain refinement mechanism of as-cast aluminum by hafnium // Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition). 2016. Vol. 26. № 12. P. 3059–3069. DOI: 10.1016/S1003-6326(16)64438-2.
14. Hallem H., Lefebvre W., Forbord B., Danoix F., Marthinsen K. The formation of Al3(ScxZryHf1−x−y)-dispersoids in aluminium alloys // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 421. № 1-2. P. 154–160. DOI: 10.1016/j.msea.2005.11.063.
15. Srinivasan S., Desch P.B., Schwarz R.B. Metastable phases in the Al3X (X = Ti, Zr, and Hf) intermetallic system // Scripta Metallurgica et Materiala. 1991. Vol. 25. № 11. P. 2513–2516. DOI: 10.1016/0956-716X(91)90059-A.
16. Rokhlin L.L., Bochvar N.R., Dobatkina T.V., Tarytina I.E. Issledovanie protsessa rekristallizatsii v splavakh Al-Sc-Hf // Tekhnologiya legkikh splavov. 2010. № 1. S. 92–99. EDN: PUUUEF.
17. Knipling K.E., Dunand D.C., Seidman D.N. Precipitation evolution in Al–Zr and Al–Zr–Ti alloys during isothermal aging at 375–425 °C // Acta Materialia. 2008. Vol. 56. № 1. P. 114–127. DOI: 10.1016/j.actamat.2007.09.004.
18. Knipling K.E., Dunand D.C., Seidman D.N. Precipitation evolution in Al–Zr and Al–Zr–Ti alloys during aging at 450–600 °C // Acta Materialia. 2008. Vol. 56. № 6. P. 1182–1195. DOI: 10.1016/j.actamat.2007.11.011.
19. Harada Y., Dunand D.C. Creep properties of Al3Sc and Al3(Sc, X) intermetallics // Acta Materialia. 2000. Vol. 48. № 13. P. 3477–3487. DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00142-7.
20. Zakharov V.V. Kinetika raspada tverdogo rastvora skandiya v alyuminii v dvoinykh splavakh Al - Sc // Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2015. № 7. S. 44–48. EDN: UAVTYF.
