Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ) (Москва, Россия)¹ ; ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (Москва, Россия)²

И. А. Петров, ведущий научный сотрудник^{1, 2}, канд. техн. наук, доцент, Lumen-2007g@mail.ru

ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (Москва, Россия)

А. Д. Шляпцева, доцент института «Образовательный центр Института № 11», канд. техн. наук

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ) (Москва, Россия)

А. В. Трапезников, ведущий инженер
К. А. Власова, ведущий инженер
В. А. Дуюнова, начальник научно-исследовательского отделения, канд. техн. наук

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН (Москва, Россия)

Д. И. Майоров, инженер-исследователь

Модифицирование литейных алюминиевых сплавов системы Al – Si широко применяют в промышленности для повышения механических свойств. Модифицирование вызывает измельчение основных структурных составляющих силуминов – (α + Si) и дендритов α-Al. Помимо широко используемых модификаторов, таких как стронций и натрий, редкоземельные элементы представляются возможной альтернативой в процессе модифицирования эвтектического кремния в силуминах. Европий является перспективным модификатором улучшения структуры силуминов. Рассмотрены теории и механизмы, объясняющие модифицирование эвтектического кремния в сплавах системы Al – Si. Проанализированы механизмы модифицирования эвтектического кремния европием в свете экспериментальных данных, полученных с помощью энергодисперсионного микрорентгеноспектрального анализа, элементного картирования и термического анализа сплава Al – 12 % Si. Выявлено, что при измельчении структуры и изменении морфологии эвтектического кремния действуют несколько адсорбционных механизмов. Это механизмы «отравления» (twin plane re-entrant edge (TPRE) – входящей кромки в двойную плоскость) и модифицирования структуры материалов, вызванного присутствием примесей (impurity-induced twinning (IIT)), которые приводят к образованию большой плотности двойников кремния. При этом наблюдается переохлаждение расплава, что способствует появлению большего числа зародышей эвтектического кремния. Проведены исследования процессов кристаллизации в сплаве Al – 12 % Si, модифицированном европием. Получены значения температур фазовых превращений при разных концентрациях европия в сплаве Al – 12 % Si. Модифицирование европием расширяет интервал кристаллизации за счет снижения температуры солидуса. Наибольший уровень механических свойств получен при содержании европия 0,11 % (σ_в = 161,1 МПа и δ = 7,3 %). Определена продолжительность сохранения модифицирующего эффекта европия в расплаве – до 300 мин. Сохранение модифицирующего эффекта европия в расплаве объясняется его физико-химическими свойствами и термодинамическими процессами взаимодействия европия с расплавом. Исследовано влияние европия на пористость. При увеличении содержания европия в сплаве Al – 12 % Si происходит незначительное увеличение газовой пористости.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

1. Baranovskaya V. B., Karpov Yu. A., Petrova K. V., Korotkova N. A. Current trends in the use of rare earth metals and their compounds in metallurgy and production of optical materials. Tsvetnye Metally. 2020. No. 11. pp. 54–62.
2. Volkov A. I., Stulov P. E., Leontiev L. I., Uglov V. A. Analysis of the use of rare earth metals in the ferrous metallurgy of Russia and the world. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya. 2020. Vol. 63, No. 6. pp. 405–418.
3. Korolev D. V., Piskorskiy V. P., Valeev R. A., Bakradze M. M. et al. Engineering of rare–earth micromagnets RE-TM-B (review). Aviatsionnye Materialy I Tekhnologii. 2021. No. 1. pp. 44–60.
4. Kablov E. N., Ospennikova O. G., Vershkov A.V. Rare metals and rare earth elements – materials of modern and high technologies of the future. Trudy VIAM. 2013. No. 2. pp. 3–13.
5. Nochovnaya N. A., Khorev A. L., Yakovlev A. I. Prospects of alloying titanium alloys with REE. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2013. No. 8. pp. 18–23.
6. Benarieb I., Antipov V. V., Khasikov D. V., Oglodkov M. S. et al. Study of the structure and properties of economically alloyed aluminum alloy of the Al – Mg – Sc – Zr system produced by selective laser fusion. Aviatsionnye Materialy I Tekhnologii. 2023. No. 4. DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-4-23-35
7. Volkova E. F., Mostyaev I. V., Akinina M. V., Alikhanyan A. A. Study of the effect of a full heat treatment cycle on the structure and mechanical properties of forgings made of magnesium heat–resistant alloy Mg – Zn – Zr-REE system. Aviatsionnye Materialy I Tekhnologii. 2025. No. 1. pp. 88–98.

8. Mostyaev I. V. REE as a factor of qualitative improvement of the properties of magnesium alloys (review). Trudy VIAM. 2015. No. 7. pp. 8–12.
9. Doronin O. N., Artemenko N. I., Stekhov P. A., Voronov V. A. Application of ceramic layers of heat-protective coatings based on Gd2O3 – ZrO2 – HfO2 and Sm2O3–Y2O3–HfO2 systems. Aviatsionnye Materialy I Tekhnologii. 2022. No. 3. pp. 108–119.
10. Sudzhanskaya I. V., Lebedeva Yu. E., Vaganova M. L., Shchegoleva N. E. The effect of alloying additives CeO2, Y2O3 on the microstructure and mechanical properties of ceramic spinel MgAl2O4. Aviatsionnye Materialy I Tekhnologii. 2025. No. 2. pp. 91–102.
11. Varfolomeev M. S., Shcherbakova G. I. Refractory compositions designed for highly heat-resistant ceramic molds in foundry practice. Refractories and Industrial Ceramics. 2018. Vol. 59. No. 3. pp. 290–295.
12. Sokolov A.V., Deinega G. I., Kuzmina N. A. Effect of Sc2O3 additive on sintering temperature and properties of oxide ceramics of the ZrO2–Y2O3 system. Aviatsionnye Materialy I Tekhnologii. 2020. No. 1. pp. 64–69.
13. Petrov I. A., Ryakhovskii A. P., Predko P. Y. et al. The influence of complex modification on the structure of complex-alloy hypereutectic silumin. Inorg. Mater. Appl. Res. 2025. Vol. 16. pp. 1410–1419.
14. Liu Q. Y., Li Q. C., Liu Q. F. Modification of aluminum-silicon alloys with sodium. Acta Metall. Mater. 1991. Vol. 39. pp. 2497–2502.
15. Ashtari P., Tezuka H., Sato T. Modification of Fe-containing intermetallic compounds by K addition to Fe-rich AA319 aluminum alloys. Scr. Mater. 2005. Vol. 53. pp. 937–942.
16. Petrov I. A., Shlyaptseva A. D., Ryakhovsky A. P., Medvedeva E. V. et al. Effect of rubidium on solidification parameters, structure and operational characteristics of eutectic Al – Si Alloy. Metals. 2023. Vol. 13. DOI: 10.3390/met13081398
17. Fracchia E., Gobber F. S., Rosso M. Effect of alloying elements on the Sr modification of Al – Si cast alloys. Metals. 2021. Vol. 11. 342.
18. Knuutinen A., Nogita K., McDonald S. D., Dahle A. K. Modification of Al – Si alloys with Ba, Ca, Y and Yb. J. Light Met. 2001. Vol. 1. pp. 229–240.
19. Rao J., Zhang J., Liu R., Zheng J. et al. Modification of eutectic Si and the icrostructure in an Al–7Si alloy with barium addition. Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 728. pp. 72–79.
20. Sreeja Kumari S. S., Pillai R. M., Pai B. C. Structure and properties of calcium and strontium treated Al – 7Si – 0.3Mg alloy: A comparison. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 460. pp. 472–477.
21. Li B., Wang H., Jie J., Wei Z. Effects of yttrium and heat treatment on the microstructure and tensile properties of Al – 7.5Si – 0.5Mg alloy. Mater. Design. 2011. Vol. 32. pp. 1617–1622.
22. Nikitin K. V., Nikitin V. I., Timoshkin I. Yu., Deev V. B. Effect of melt modification with aluminum-based ligatures with additives of rare earth and alkaline earth metals on the structure and properties of pre-eutectic silumins. Metallurg. 2021. No. 6. pp. 81–86.
23. Tsai Y. C., Lee S. L., Lin C. K. Effect of trace Ce addition on the microstructures and mechanical properties of A356 (AL-7SI-0.35Mg) aluminum alloys. J. Chin. Inst. Eng. 2011. Vol. 34. pp. 609–616.
24. Qiu H., Yan H., Hu, Z. Effect of samarium (Sm) addition on the microstructures and mechanical properties of Al – 7Si – 0.7Mg alloys. J. Alloys Compd. 2013. Vol. 567. pp. 77–81.
25. Mao F., Liu S., He Y. et al. Effect of rare earth Dy (dysprosium) on the microstructures and mechanical properties of hypereutectic Al – Si Alloy. Inter Metalcast. 2025. Vol. 19. pp. 1048–1066.
26. Wang Q., Shi Z., Li H., Lin Y. et al. Effects of holmium additions on microstructure and properties of A356 aluminum alloys. Metals. 2018. Vol. 8. 849.
27. Shi Z. M., Wang Q., Zhao G., Zhang R. Y. Effects of erbium modification on the microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 626. pp. 102–107.
28. Nogita K., McDonald S. D., Dahle A. K. Eutectic modification of Al – Si alloys with rare earth metals. Mater. Trans. 2004. Vol. 45. pp. 323–326.
29. Li J. H., Suetsugu S., Tsunekawa Y., Schumacher P. Refinement of eutectic Si phase in Al-5Si alloys with Yb additions. Metall. Mater. Trans. A. 2012. Vol. 44. pp. 669–681.
30. Edwards J. D., Archer R. S. The new aluminum-silicon alloys - an important process of “modification” and the remarkable improvement in properties it brings about. Chemical and Metallurgical Engineering. 1924. Vol. 31. pp. 504–508.
31. Day M. G., Hellawell A. The microstructure and crystallography of aluminium silicon eutectic alloys. Proc. Royal Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 1968. Vol. 305. pp. 473–491.
32. Lu S., Hellawell A. The mechanism of silicon modification in aluminum-silicon alloys: Impurity induced twinning. Metall. Trans. A. 1987. Vol. 18. pp. 1721–1733.
33. Detkov P. G., Drobot D. V. The history of the discovery of rare earth elements. Samarium, Europium and gadolinium. Tsvetnye Metally. 2024. No. 5. pp. 84–90.
34. Nogita K., Yasuda H., Yoshiya M. et al. The role of trace element segregation in the eutectic modification of hypoeutectic Al – Si alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 489. Iss. 2. pp. 415–420.
35. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Ed.W. M. Haynes, D. R. Lide. 95th ed. CRC Press: Boca Raton, 2014. 2704 p.
36. Gursoy O., Timelli G. Lanthanides: a focused review of eutectic modification in hypoeutectic Al–Si alloys. Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9, Iss. 4. pp. 8652–8666.
37. Li J. H., Wangb X. D., Ludwig T. H. et al. Modification of eutectic Si in Al–Si alloys with Eu addition. Acta Materialia. 2015. Vol. 84. pp. 153–163.
38. Mao F., Qiao Y., Zhang P. et al. Modification mechanism of rare earth Eu on eutectic Si in hypoeutectic Al – Si alloy. International Journal of Metalcasting. 2022. Vol. 16. pp. 634–645.
39. Li J. H., Ludwig T. H., Oberdorfer B., Schumacher P. Solidification behaviour of Al – Si based alloys with controlled additions of Eu and P. International Journal of Cast Metals Research. 2018. Vol. 31, Iss. 6. pp. 319–331.
40. Barrirero J., Pauly C., Engstler M. et al. Eutectic modification by ternary compound cluster formation in Al–Si alloys. Scientific Reports. 2019. Vol. 9. 5506. DOI: 10.1038/s41598-019-41919-2
41. Mao F., Yan G., Xuan Z. et al. Effect of Eu addition on the microstructures and mechanical properties of A356 aluminum alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 650. pp. 896–906.
42. Li J., Fredrik H., Manfred W. et al. The roles of Eu during the growth of eutectic Si in Al–Si alloys. Scientific Reports. 2015. Vol. 5, Iss. 1. DOI: 10.1038/srep13802
43. Spacil I., Gehringer D., Holec D. et al. Elucidating effects of Eu and P on solidification and precipitation of Al – 7Si – 0,3Mg based alloys refined by Ta and TiB2. Journal of Alloys and Compounds. 2024. Vol. 978. pp. 173343.
44. Sahin H., Dispinar D. Effect of rare earth elements erbium and europium addition on microstructure and mechanical properties of A356 (Al – 7Si – 0,3Mg) alloy. International Journal of Metalcasting. 2023. Vol. 17. pp. 2612–2621.
45. Ou C., Xiao C., Tang S. et al. Effect of the co-addition of Eu and Er on the microstructure and mechanical properties of Al – 9,5Si – 2Cu – 0,6Mg alloy. Materials Letters. 2025. Vol. 382. pp. 137848.
46. Mao F., Wei S., Ou L. et al. Different influences of rare earth eu addition on primary Si refinement in hypereutectic Al – Si alloys with varied purity. Materials. 2019. Vol. 12, Iss. 21. DOI: 10.3390/ma12213505
47. Guo J., Mao F., Zhang G. et al. Dual modification of hypereutectic Al – Si alloy and spheroidization mechanism of primary silicon with Eu addition. International Journal of Metalcasting. 2024. Vol. 18. pp. 2562–2578.
48. Mao F., Zhang L., Guo J. et al. The effect of Eu and T6 heat treatment on microstructure of A390 alloys. International Journal of Metalcasting. 2025. DOI: 10.1007/s40962-025-01649-w
49. Mao F., Guo J. L., Liu S. H. et al. Spheroidization mechanism of primary silicon in hypereutectic Al – Si alloys with Eu addition. Rare Metals. 2025. Vol. 44. pp. 7940–7955.
50. GOST 1497–2023. Metals. Methods of tension test. Introduced: 01.07.2024.
51. GOST 9012–59. Metals. Method of Brinell hardness measurement. Introduced: 01.01.1960.
52. Merkus H. G. Particle size measurements: fundamentals, practice, quality. Berlin/Heidelberg, Germany: Springer, 2009. 534p.
53. ISO 10049:2019(E). Aluminium alloy castings — Visual method for assessing porosity.
54. Belov N. А. Phase composition of industrial and promising aluminum alloys : monograph. Moscow : MISiS Publishing House, 2010. 511 p.
55. Kurdyumov A. V., Belov V. D., Pikunov M. V. et al. Production of castings from non-ferrous metal alloys: textbook. Ed. Belova V. D. 3-е ed., rev. and add. Moscow : MISiS, 2011. 615p.
56. Flood S. C., Hunt J. D. Modification of Al – Si eutectic alloys with Na. Met. Sci. 1981. Vol. 15. pp. 287–294.
57. Timpel M., Wanderka N., Schlesiger R., Yamamoto T. et al. The role of strontium in modifying aluminium–silicon alloys. Acta Materialia. 2012. Vol. 60, Iss. 9. pp. 3920–3928.

58. Sigworth G. K. Modification of aluminum-silicon alloys, casting. In ASM Handbook. Ed. Viswanathan S., Apelian D., Donahue R. J., DasGupta B. et al. Detroit, MI, USA: ASM International, 2008. pp. 240–254.
59. Ardo D. Porosity in aluminum foundry alloys – The effect of modification. Proc. International Symposium on Reduction and Casting of Aluminum. Montreal, QC, Canada, 28–31 August 1988. Ed. Ardo D., Gruzleski J. E. Oxford, UK : Pergamon Press, 1988. pp. 263–282.
60. Andrushevich A. A., Sadokha M. A. Shrinkage phenomena in silumins when treated with long-acting modifiers. Foundry Prod. Metall. 2022. Vol. 3. pp. 30–35.
61. Nogita K., McDonald S. D., Zindel J. W., Dahle A. K. Eutectic solidification mode in sodium modified Al-7 mass%Si-3.5 mass%Cu-0.2 mass%Mg casting alloys. Materials Transactions. 2001. Vol. 42. pp. 1981–1986.
62. Knuutinen A., Nogita K., McDonald S. D., Dahle A. K. Porosity formation in aluminium alloy A356 modified with Ba, Ca, Y and Yb. Journal of Light Metals. 2001. Vol. 1. pp. 241–249.
63. Binnewies M., Milke E. Thermochemical data of elements and compounds. 2nd, rev. and extended ed. Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH, 2002. 928 p.