Университет науки и технологий МИСИС, Москва, Россия
Е. А. Наумова, доцент кафедры обработки металлов давлением (ОМД), канд. техн. наук, эл. почта: jan73@mail.ru

Московский политехнический университет, Москва, Россия
А. Н. Кошмин, доцент сектора научной деятельности, канд. техн. наук

ИМЕТ РАН, Москва, Россия
С. Г. Бочвар, ведущий научный сотрудник, докт. техн. наук
П. Ю. Предко, научный сотрудник

Исследована возможность упрочнения заэвтектических алюминиево-кальциевых сплавов добавками скандия. Экспериментальные сплавы готовили в электропечи сопротивления компании Graficarbo на основе алюминия высокой чистоты А99. Кальций и церий вводили в чистом виде, а никель, марганец, цирконий и скандий – в виде лигатур на основе алюминия Al – 20 % Ni, Al – 10 Mn, Al – 10 % Sc и Al – 10 % Zr соответственно. В структуре сплава Al – 6 Ca – 3 Mn – 2 Ce – 0,3 Sc присутствуют первичные кристаллы фазы Al₁₀(Ca,Ce)Mn₂ и неравновесной переходной фазы Al₁₁(Ca,Ce)Mn_1,5 в форме грубых пластин, что нежелательно для дальнейшей деформационной обработки. Структура сплава Al – 8 Ca – 2 Mn – 1 Ni – 0,3 Sc содержит компактные мелкие (не более 25 мкм) первичные кристаллы фазы Al10Ca(Mn,Ni)2, равномерно распределенные в многокомпонентной высокодисперсной эвтектической матрице. Такая структура предполагает более высокую деформационную пластичность. При этом оба сплава показали одинаковое поведение в процессе горячей осадки. В процессе ступенчатого отжига слитков упрочнение обоих сплавов составило около 40 HV при температуре 350 оС, что соответствует уровню упрочнения доэвтектических сплавов, легированных скандием. Однако в доэвтектических сплавах максимальное упрочнение достигается при температуре 300 ^оС. В сплаве Al – 8 Ca – 2 Mn – 1 Ni – 0,3 Sc при температуре 400 о еще не происходит разупрочнения, что свидетельствует о его высокой термической стабильности. Экспериментальные сплавы содержат высокую долю интерметаллидов (более 40 % (мас.)), поэтому температура их горячей деформации должна быть не менее 500 ^оС. Однако при температуре 500 ^оС упрочнение от дисперсных частиц Al₃Sc полностью теряется из-за их укрупнения. Кроме того, при такой температуре происходит фрагментация и сфероидизация эвтектических интерметаллидов, что вносит вклад
в разупрочнение. Показано, что сплавы Al – 6 Ca – 3 Mn – 2 Ce – 0,3 Sc и Al – 8 Ca – 2 Mn – 1 Ni – 0,3 Sc можно деформировать при температуре 450 оС с суммарным обжатием не более 50 %. Уровень упрочнения при этом сохраняется более чем на 60 % (совместное действие дисперсионного твердения и наклепа). Показано, что в сплаве Al – 8 Ca – 2 Mn – 1 Ni – 0,2 Sc – 0,1 Zr прирост твердости 35–37 HV достига ется при температуре 350 ^оС, что демонстрирует возможность получения экономно легированных заэвтектических сплавов, упрочняемых при нагревах без предварительной закалки.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 20-19-00746-П (23-19-45018).
Авторы благодарят аспиранта М. А. Барыкина и канд. техн. наук, доцента М. Б. Савонькина за помощь в проведении экспериментов.

1. Blake N., Hopkins M. A. Constitution and age hardening of Al – Sc alloys // J. Mater. Sci. 1985. Vol. 20, Iss. 8. P. 2861–2867.
2. Parker B. A., Zhou Z. F., Nolle P. The effect of small additions of scandium on the properties of aluminium alloys // J. Mater. Sci. 1995. Vol. 30, Iss. 2. P. 452–458.
3. Sawtell R. R., Jensen C. L. Mechanical properties and microstructures of Al – Mg – Sc alloys // Metall. Mater. Trans. 1990. Vol. 21, Iss. 1. P. 421–430.
4. Marquis E. A., Seidman D. N. Nanoscale structural evolution of Al3Sc precipitates in Al (Sc) alloys // Acta Mater. 2001. Vol. 49. P. 1909–1919.
5. Costa S., Puga H., Barbosa J., Pinto A. M. P. The effect of Sc additions on the microstructure and age hardening behaviour of as cast Al – Sc alloys // Mater. and Design. 2012. Vol. 42. P. 347–352.

6. Van Dalen M. E., Gyger T., Dunand D. C., Seidman D. N. Effects of Yb and Zr microalloying additions on the microstructure and mechanical properties of dilute Al – Sc alloys // Acta Mater. 2011. Vol. 59. P. 7615–7626.
7. Davydov V. G., Yelagin V. I., Zakharov V. V., Filatov Yu. A. On prospects of application of new 01570 high-strength weldable Al – Mg – Sc alloy in aircraft industry // Materials Science Forum. 1996. Vol. 217. P. 1841–1846.
8. Бенариеб И., Дынин Н. В., Зайцев Д. В., Сбитнева С. В. Структура и свойства деформируемых алюминиевых сплавов системы Al – Mg – Sc с разным содержанием скандия // НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. 2023. Т. 124, № 1. С. 68–77.
9. Гамин Ю. В., Галкин С. П., Нгуен С. З., Акопян Т. К. Анализ температурно-деформационных условий прокатки алюминиевого сплава Al – Mg – Sc на основе моделирования методом конечных элементов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2022. № 3. С. 57–67.
10. Колобнев Н. И., Бер Л. Б., Цукров С. Л. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов / Под ред. акад. РАН профессора Е. Н. Каблова. – М. : НП «АПРАЛ», 2020. – 552 с.
11. Ye J., Syed A., Zhang X., Elmer E., Williams S. Fatigue crack growth behavior in an aluminum alloy Al – Mg – 0.3 Sc produced by wire based directed energy deposition process // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 2023. Vol. 46. P. 3927–3938.
12. Белов Н. А., Наумова Е. А., Акопян Т. К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. – М. : Руда и металлы. 2016. – 256 с.
13. Naumova E., Doroshenko V., Barykin M., Sviridova T., Lyasnikova A., Shurkin P. Hypereutectic Al – Ca – Mn – (Ni) alloys as natural eutectic composites // Metals. 2021. Vol. 11. 890.
14. Диаграммы состояния двойных металлических систем: cправочник. В 3 т.: Т. 1 / Под общ. ред. Лякишева Н. Л. – М. : Машиностроение, 1996. – 992 с.
15. Phillips H. W. L. Annotated equilibrium diagrams of some aluminium alloys systems. – London : Institute of Metals, 1959. – 86 p.
16. Mondolfo L. F. Aluminum alloys: Structure and properties. – London/Boston : Butterworths, 1976. – 971 p.
17. Белов Н. А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. – М. : Издательский Дом МИСиС, 2010. – 511 с.
18. Yin Zhimin, Pan Qinglin, Zhang Yonghong, Jiang Feng. Effect of minor Sc and Zr on the microstructure and mechanical properties of Al – Mg based alloys // Materials Science and Engineering: A. 2000. Vol. 280. P. 151–155.
19. Zhu J., Yan X., Langan T., Nie J. F. Comparative study of Al – Mg – Ti (- Sc - Zr) alloys fabricated by cold metal transfer and electron beam additive manufacturing // Light Metals, (Minerals, Metals and Materials Series). – Springer, 2023. P. 1295–1299.
20. Елагин В. И., Захаров В. В., Павленко С. Г. и др. Влияние добавки циркония на старение сплавов Al – Sc // Физика металлов и металловедение. 1985. № 60. С. 97–100.
21. Li R., Chen H., Zhu H., Wang M., Chen C., Yuan T. Effect of aging treatment on the microstructure and mechanical properties of Al – 3.02 Mg – 0.2 Sc – 0.1 Zr alloy printed by selective laser melting // Mater. Des. 2019. Vol.168. 107668.
22. Bi J., Lei Z., Chen Y., Chen X., Tian Z., Qin X., Liang J., Zhang X. Effect of Al3(Sc, Zr) and Mg2Si precipitates on microstructure and tensile properties of selective laser melted Al – 14.1 Mg – 0.47 Si – 0.31 Sc – 0.17 Zr alloy // Intermetallics. 2020. Vol. 123. 106822.
23. ГОСТ 11069–2001. Алюминий первичный. Марки. – Введ. 01.01.2003.
24. ГОСТ Р 53777–2010. Лигатуры алюминиевые. Технические условия. – Введ. 01.07.2010.
25. Наумова Е. А., Васина М. А., Черногорова О. П., Рогачев С. О., Задорожный М. Ю., Бобрышева А. О. Исследование влияния церия на структуру и свойства кальцийсодержащих алюминиевых сплавов // Металлург. 2023. № 9. С. 49–57.