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 21-19-00466

НазваниеИсследование влияния цинка и серебра на образование пластинчатых частиц с плоскостями габитуса {111}Al в Al-Cu-Mg(-Li) сплавах.

РуководительГазизов Марат Разифович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет", Белгородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2023 г. 

Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаалюминиевый сплав, термомеханическая обработка (ТМО), деформация, старение, эволюция частиц, морфология, дисперсионное упрочнение, прочность, сопротивление усталостному разрушению, сопротивление ползучести

Код ГРНТИ53.49.05


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Предлагаемый проект посвящен исследованию влияния легирования цинком и серебром на структуру, распределение по размерам, термодинамику и кинетику образования рационально ориентированных пластинчатых частиц с плоскостями габитуса типа {111}Al в сплавах Al-Cu-Mg-Ag и Al-Cu-Mg-Ag-Li сплавах с целью улучшить/повысить механические (прочностные) свойства данных термически упрочняемых алюминиевых сплавов после термической и/или термомеханической обработки. Таким образом, объектами исследования предлагаемого проекта являются два сплава, которые используются в авиации: один сплав системы Al-Cu-Mg-Ag и второй сплав системы Al-Cu-Mg-Ag-Li. Первый сплав используется в качестве конструкционного материала для изготовления деталей и узлов, работающих либо при повышенных температурах, либо требующих уникального сочетания прочности и вязкости разрушения. Второй сплав является авиационным Al-Li сплавом последнего поколения и применяется в элементах конструкции планера самолетов, требующих сочетание высокой прочности с высокой трещиностойкостью, что обеспечивает получение больших ресурсов конструкций. Улучшение свойств алюминиевых сплавов за счет микролегирования и оптимизации режимов их термомеханической обработки является одним из основным направлений повышения их свойств. Основным требованием к авиационным конструкционным материалам является сочетание высокой прочности с высокими характеристиками трещиностойкости и сопротивлением коррозии под напряжением, а также расслаивающей коррозии. В термически упрочняемых алюминиевых сплавах такое сочетание свойств может быть обеспечено за счет выделения упрочняющих частиц. В зависимости от механизма зарождения таких частиц применяется либо термическая, либо термомеханическая обработка. Оптимизация выделения пластинчатых частиц с плоскость габитуса {111}Al за счет легирования серебром и цинком в сплаве и режимов термомеханической обработки сплавов направлена на увеличение объемной доли и дисперсности данных выделений, что приводит к повышению вязкости разрушения, сопротивления коррозии под напряжением и понижает значение скорости распространения усталостной трещины в материале. В рамках данного проекта будут выполнены экспериментальные исследования по двум типов рационально ориентированных пластинчатых частиц c плоскостью габитуса {111}Al: омега-фазы (Al2Cu) и T1-фазы (Al2CuLi), которые выделяются гомогенно и гетерогенно на дислокациях в Al-Cu-Mg-Ag и Al-Cu-Mg-Ag-Li сплавах, соответственно. Будет рассмотрено влияние добавок серебра и цинка на эти фазы с целью повышения комплекса свойств, за счет оптимизации химического состава и режимов термической/термомеханической обработки. Конкретная научная проблема, на решение которой направлен проект – установление природы положительного влияния добавок серебра и цинка на структуру межфазных границ пластинчатых частиц с плоскостями габитуса {111}Al, и разработка на этой основе оптимального химического состава двух сплавов систем Al-Cu-Mg-Ag и Al-Cu-Mg-Ag-Li и режимов их термической/термомеханической обработки, обеспечивающих получения улучшенного комплекса механических свойств и сопротивления коррозии под напряжением. Актуальность решения обозначенной проблемы обусловлена следующими факторами: Во-первых, Al-Cu-Mg-Ag сплавы, одним из ярких представителей которых является сплав АА2139 и АА2040 (по классификации Aluminium Association), уже зарекомендовали себя как материалы, демонстрирующие высокие свойства жаропрочности при температурах 150-200°С и высокие показатели ударной вязкости за счет выделения дисперсных пластинчатых частиц омега-фазы (номинальный стехиометрический состава Al2Cu) с плоскостями габитуса типа {111}Al. Формирование данной фазы обусловлено добавками магния (Mg) и серебра (Ag) в Al-Cu сплав, которые образуют сегрегации на межфазных границах пластин омега-фазы. Цинк может также располагаться на межфазных границах пластин этой фазы, что должно способствовать улучшению сопряжения кристаллических решеток выделения и матрицы вдоль межфазных границ. Данная работа позволит проверить такую возможность. В Al-Cu-Mg-Ag сплавах тета’-фаза выделяется наряду с Омега-фазой (номинальный стехиометрический состава Al2Cu). Повышение количества омега-фазы при уменьшении содержания тета’-фазой обеспечивает повышение прочности, трещиностойкости и сопротивления ползучести. В случае успеха проекта удастся найти способ повышение механических свойств в Al-Cu-Mg-Ag сплавах, что расширит их промышленное применение. Во-вторых, Al-Cu-Mg-Ag-Li сплавы, одним из недавно разработанных представителем которых является АА2060 сплава (по классификации Aluminium Association), относятся к последнему (третьему) поколению алюминиевых сплавов, демонстрирующих уникальную комбинацию вязкости разрушения и предела текучести. Уникальный комплекс свойств данных сплавов обеспечивается за счет выделения пластинчатых частиц Т1-фазы (номинальный стехиометрический состава Al2CuLi) с плоскостями габитуса типа {111}Al и дельта’- фазы (номинальный химический состав Al3Li) c кубической решеткой упорядоченной по типу L12. Ag и Zn, которые располагаются вдоль плоских межфазных границ Т1-фазы и Al матрицы способствуют увеличению ее объемной доли за счет уменьшения количества тета’-фазы, что повышает прочность и вязкость разрушения. Ранее было показано, что выделение Т1-фазы зависит от соотношения содержания Cu/Li в Al-Cu-Li сплавах, а также режимов термомеханической обработки. Было установлено, что добавление Mg и Zn наряду с повышением степени деформации между закалкой и старением интенсифицирует выделение и приводит к существенному увеличению объемной доли и дисперсности упрочняющих частиц Т1-фазы. Механизмы подобного влияния атомом Mg и Zn до сих пор слабо изучены. В рамках предлагаемого проекта будет детально изучено и установлено влияние легирования цинком (до 0,4 вес. %) на структуру и химический состав частиц Т1-фазы, а также механические свойства в Al-Cu-Mg-Ag-Liс сплаве с целью получить комплекс высоких механических свойств и сопротивления коррозии под напряжением для данного материала после различных режимов термомеханической обработки, включающей холодную прокатку с обжатием до 80% и многоступенчатое искусственное старение. Таким образом, в рамках предлагаемого проекта будут получен ответ о влиянии цинка на термодинамику, кинетику фазовых превращений, а также структуру и химический состав рационально ориентированных пластинчатых выделений с плоскостями габитуса типа {111}Al с целью улучшения комплекса механических (прочностных) свойств современных термоупрочняемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg-Ag и Al-Cu-Mg-Ag-Li. Выполнение данного проекта позволит расширить научные знания о пластинчатых частицах с плоскостями габитуса {111}Al: омега-фазы (Al2Cu) и T1-фазы (Al2CuLi). Научная новизна предлагаемых исследований заключается в том, что впервые будут: 1. Будут установлены закономерности и механизмы влияния цинка на термодинамику и кинетика выделения омега-фазы в сплаве системы Al-Cu-Mg-Ag, а также на прочностные свойства данного материала – долговременную прочность, предел ползучести, вязкость разрушения K1C, скорость роста усталостной трещины и сопротивление коррозии под напряжением. 2. Будут установлены закономерности и механизмы влияния цинка, а также степени промежуточной (перед старением) деформации прокаткой с обжатием до 80% на термодинамику и кинетику выделения T1-фазы в сплаве системы Al-Li-Cu-Mg-Ag, а также на прочностные свойства этого сплава, вязкость разрушения K1C, скорость роста усталостной трещины и сопротивление коррозии под напряжением. На основе полученных новых научных данных будут разработаны и запатентованы оптимизированные химические составы сплавов систем Al-Cu-Mg-Ag и Al-Cu-Mg-Ag-Li, а также режимы термомеханической обработки для сплава системы Al-Cu-Mg-Ag-Li c добавками Zn. Полученные в рамках предлагаемого проекта фундаментальные знания будут способствовать переходу к новым технологиям производства алюминиевых полуфабрикатов с улучшенным комплексом свойств для изготовления деталей и узлов воздушных транспортных средств нового поколения.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта предполагается получить следующие научно-технические результаты: 1. Закономерности и механизмы влияния цинка на термодинамику и кинетика выделения омега-фазы в сплаве системы Al-Cu-Mg-Ag в процессе старения, включая структуру их межфазных границ, плотность выделения частиц, объемную долю. 2. Будет установлено влияние цинка на предел текучести, временное сопротивление до разрушения, относительное удлинение, долговременную прочность, предел ползучести, вязкость разрушения K1C, скорость роста усталостной трещины и сопротивление коррозии под напряжением сплаве системы Al-Cu-Mg-Ag. 3. Закономерности и механизмы влияния цинка и серебра, а также степени деформации перед старением на термодинамику и кинетику выделения T1-фазы в сплаве системы Al-Cu-Mg-Li в процессе старения, включая структуру их межфазных границ, плотность частиц, их удельный объем, соотношение между плотностями и удельным объемом T1-, дельта’- и тета’-фаз. 4. Будут установлено влияние цинка и серебра, а также степени деформации перед старением на предел текучести, временное сопротивление до разрушения, относительное удлинение, вязкость разрушения K1C, скорость роста усталостной трещины и сопротивление коррозии под напряжением в сплаве системы Al-Cu-Mg-Li-. Выполнение проекта позволит получить новые данные по структуре межфазных границ, термодинамике и кинетики выделения пластинчатых выделений с плоскостями габитуса типа {111}Al, их влияние на ключевые механические свойства и сопротивление коррозии под напряжением. На основе этих данных будут разработаны новые сплавы систем Al-Cu-Mg-Ag-Zn и Al-Cu-Mg-Ag-Li-Zn, а также режимы термомеханической обработки сплава Al-Cu-Mg-Ag-Li-Zn. Исследуемые Al-Cu-Mg-Ag-Zn и Al-Cu-Mg-Ag-Li-Zn сплавы будут включать неосновные легирующие элементы, оптимизированные на основе последних результатов исследований в предметной области для сплавов типа АА2139 и АА2060, соответственно. Актуальность предлагаемого проекта заключается в том, что он позволит оценить возможность легирования цинком современных термоупрочняемых алюминиевых сплавов, а также исследовать механические свойства сплавов новых композиций для производства деталей и узлов, применяемых в транспортных средствах нового поколения. Практическое применение запланированных результатов: Промышленность РФ получит два новых сплава, которые должны будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к авиационным материалам, и технологические режимы их получения, которые позволят оценить возможность их применения как в самолетостроении, так и других отраслях промышленности. Это позволит перейти к практическому внедрению, в рамках последующих проектов, новых сплавов в производство воздушных транспортных средств нового поколения.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках реализации исследования методом полунепрерывного литья были получены четыре сплава: два сплава системы Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) и два сплава системы Al-Li-Cu-Mg-Zn(-Ag). Были исследованы микроструктура и фазовый состав Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) и Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплавов с помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Эвтектические включения, обнаруженные в Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавах, включали тета-фазу (I4/mcm). В их объеме также установлено образование дисперсных частиц Al20Cu2Mn3 фазы. Цинк демонстрировал слабую тенденцию к образованию сегрегаций внутри эвтектических включений в литом состоянии Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплава. После гомогенизации цинк равномерно распределяется по сечению слитков. В структуре Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава в литом состоянии обнаружено образование относительно мелких частицы Al6(Mn,Fe) и Al20Cu2Mn3 в объеме эвтектических включений по границам дендритных ячеек. Рентегнофазовый анализ также подтвердил образование различных литийсодержащих соединений, таких как AlLi, Al3Li, Al2CuLi. Следует отметить, что данные соединения типичны для Al-Cu-Li сплавов. В исследуемом сплаве Zn и Mg образуют сегрегации в эвтектических включениях, состоящих преимущественно из тета-фазы (Al2Cu), тогда как Ag обнаруживается преимущественно в теле дендритной ячейки. В центре литого слитка сплава Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn обнаружено формирование пор с объемной долей 1,6±0,4 об. %. Исходя из результатов анализа ДСК образцов в литом состоянии были выбраны режимы одноступенчатые гомогенизационного отжига при температурах 525°С и 495°С для Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) и Al-Li-Cu-Mg-Zn(-Ag) сплавов, соответственно. Скорость нагрева и продолжительность выдержки для всех режимов гомогенизации составляли 2°/мин и 24 часа, соответственно. Охлаждение образцов проводили с печь. Режим предварительной термомеханической обработки сплавов включал изотермическую ковку и прокатку при температурах 450°С с целью устранить дефекты литья и добиться более равномерного распределения легирующих элементов. Были изучено влияние гомогенизирующего отжига и изотермической прокатки на структуру и фазовый состав, а также твердость и механические свойства при растяжении в Al-Cu-Mg-Ag-Zn и Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплавах после термической/термомеханической обработки. ДСК анализ показал существенное уменьшение доли эвтектических включений, состоящих преимущественно из тета-фазы, в исследуемых сплавах после гомогенизации. Снимки СЭМ, карты распределения легирующих элементов и рентгенофазовый анализ не выявили образование нерастворимых грубых интерметаллидных соединений, содержащих Mg, Zn и Ag. Таким образом, данные элементы доступны практически в полном объеме для участия в процессах дисперсионного твердения при последующих термических/термомеханических обработках. Исследование зёренной структуры сплавов после изотермической прокатки и нагрева для обработки на твердый раствор в течение 1 часа показало, что во всех сплавах происходит формирование вытянутой полностью рекристаллизованной структуры с долей ВУГ более 80%. Средние размеры зерен вдоль и поперек направлению прокати составляли 44,9 мкм и 36,1 мкм для Al-Cu-Mg-Ag сплава, 52,0 мкм и 43,4 мкм для Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплава, 256,1 мкм и 28,1 мкм для Al-Li-Cu-Mg-Zn сплава, и 18,3 мкм и 15,3 мкм для Al-Li-Cu-Mg-Zn-Ag сплава, соответственно. Как видно, добавка цинка в Al-Cu-Mg-Ag сплав после изотермической прокатки и нагрева до предплавильных температур приводит к увеличению размеров рекристаллизованной зерен, имеющих вытянутую форму. Влияние серебра зеренную структуру Al-Li-Cu-Mg-Zn сплавов более очевидно: в Al-Li-Cu-Mg-Zn-Ag сплаве происходит формирование более мелкозернистой структуры с меньшей величиной коэффициента и формы по сравнению Al-Li-Cu-Mg-Zn сплавом. Во всех исследуемых сплавах, после прокатки и нагрева гистограммы распределения разориентировок границ кристаллитов были близки к функции распределения Маккензи, типичной для материалов со случайной ориентацией кристаллов. Таким образом, все исследуемые сплавы могут иметь незначительную анизотропию механических свойств, связанную с формой зерен, а не с кристаллографической текстурой. В рамках проекта были изучена эволюция твердости сплавов после обработок по режиму Т6 при 150, 170 и 190°С для Al-Cu-Mg-Zn(-Ag) сплавов и при 170°С для Al-Li-Cu-Mg-Zn(-Ag) сплавов. Пик твердости для Al-Cu-Mg-Zn(-Ag) сплавов наблюдается после старения в течение 2, 6 и 24 часов при 190, 170 и 150°С, соответственно. После старения на максимальную прочность при различных температурах значения YS и UTS для Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплава получили на 5-10 МПа выше по сравнению Al-Cu-Mg-Ag сплавом. Таким образом, добавка 0,4 масс. % цинка оказывает незначительное положительное влияние на прочность при растяжении Al-Cu-Mg-Ag сплава. Применение режимов старения T6I6 позволило дополнительно повысить значения YS/UTS для Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплава с ~425/~465 МПа до ~435/~480 МПа, соответственно, тогда как для Al-Cu-Mg-Ag сплава не наблюдалось положительного влияние на данные характеристики. Среди исследуемых сплавов максимальные YS~520/485 МПа и UTS~540/510 МПа с удлинением до разрушения ~11/9,3% были достигнуты для Al-Li-Cu-Mg-Zn-Ag сплава, которые в целом отражали более высокую твердость, полученную для данного сплава, по сравнению с Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) и Al-Li-Cu-Mg-Zn сплавами. Соответственно, совместное введение Li, Zn и Ag приводит к значительному дисперсионному твердению Al-Cu-Mg сплавов в процессе старения. Удельная прочность экспериментального сплава Al-Li-Cu-Mg-Zn в состоянии T85 составляет 179-192 МПа м3/кг. В рамках проекта были изучены структуры, фазовый состав и распределения дисперсных частиц в Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавах после старения. Анализ снимков просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), проведенный на образцах Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавов, показал преимущественное выделение {111}Al пластин омега-фазы после старения при различных температурах. {100}Al пластины тета’-фазы были также обнаружены после старения при различных температурах, но их объемная доля была незначительна и составляла менее 10% от доли {111}Al пластин омега-фазы. Статистический анализ размеров и распределения {111}Al пластин не показал разницы в диметре и толщине, а также плотности выделения омега-фазы в Al-Cu-Mg-Ag и Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплавах после старения на максимальную прочность. Атомная структура Ω пластин, образующихся в {111}Al плоскостях в сплаве Al-Cu-Mg-Ag, была исследована с помощью ПЭМ и теории плотности функционала (DFT). Пластины омега-фазы разной толщины были исследованы в двух состояниях сплава после старения на максимальную прочность при 150°C и 190°C. Было установлено, что пластины различной толщины (от 0 до 2,5 cθ) имеют объемную и структурную несовместимость с окружающей алюминиевой матрице в виде несрелаксированных деформаций несоответствия и компонентов сдвига, соответственно. Анализ результатов моделирования структур показал, что имеют место два типа компонентов сдвига: [-101]Al//[0-10]θ (τI) и [1-21]Al//[100]θ (τII). Было установлено, что компоненты сдвига τI и τII энергетически выгодны в пластинах разной толщины. Все исследованные пластины имели объемную несовместимость с Al матрицей в виде деформаций несоответствия вдоль направлений [111]Al//[001]θ, которые неравномерно распределяются по толщине пластины. Большие деформации несоответствия концентрируются вдоль плоских межфазных границ пластин, то есть в слоях Ag2Cu и Cui, и создают недопустимо высокий энергетический барьер для зарождения и роста выступа, который приводит к утолщению/огрублению пластин омега-фазы. Когерентные межфазные границы по краям тонких {111}Al пластин омега-фазы были также изучены в Al-Cu-Mg-Ag сплаве после старения на максимальную прочность. Анализ изображений ПЭМ показал, что торцевые межфазные границы тонких пластин омега-фазы могут отклоняться от их ортогональных ориентации по отношению к плоским межфазным границам относительно более толстых пластин. Углы и направления наклонов межфазных границы по торцам тонких пластин коррелируют с ориентацией компонентов сдвига, появляющихся вдоль широких поверхностей пластины. Анализ ПЭМ также показал, что атомы Cu стремятся занять определённые узлы в алюминиевой матрице вблизи торцов {111}Al пластин. В рамках проекта были проведены испытания на сопротивление ползучести при 150 и 165°С для Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавов после старения. Было установлено, что поведение исследуемых Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавов типично для металлических материалов, а именно с ростом температуры и уровня приложенных напряжений происходит ускорение процесса деформации и уменьшение времени до разрушения. На зависимостях кривых ползучести (зависимость степени деформации от времени ползучести при определенном приложенном напряжении) прослеживается общая тенденция к уменьшению времени до разрушения для образцов Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплава по сравнению с Al-Cu-Mg-Ag сплавом при обоих температурах испытаниях. Анализ скоростей деформации при ползучести также показывает, что деформация образцов Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплава происходит быстрее, чем в Al-Cu-Mg-Ag сплаве. Таким образом, несмотря на улучшение прочностных свойства на растяжение для сплава с добавкой цинка имеет место незначительное снижение сопротивления ползучести данного сплава по сравнению с Al-Cu-Mg-Ag сплавом. По кривым ползучести были также установлены закономерности изменения пределов ползучести и пределов длительной прочности при различных базах испытания и температурах 150°С и 165°С для обоих сплавов после старения на максимальную прочность при температурах 170°С и 190°С, соответственно. По результатам, полученным в рамках проекта, были подготовлена две публикации. Одна публикация была принята в печать в Materials Characterization (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580321007087?via%3Dihub). На вторую публикацию под названием "Edge interfaces of the Ω plates in a peak-aged Al-Cu-Mg-Ag alloy" получены замечания рецензентов из аналогичного журнала (Materials Characterization). Авторы планируют вернуть данную рукопись с исправлениями в журнал в декабре 2021 года.

 

Публикации

1. Газизов М.Р., Боев А.О., Мариоара К.Д., Холметсад Р., Аксенов Д.А., Газизова М.Ю., Кайбышев Р.О. Precipitate/matrix incompatibilities related to the {111}Al Ω plates in an Al-Cu-Mg-Ag alloy Materials Characterization, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111586


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Полученные научные результаты показывают, что степень пластической деформации растяжением 5-10% при обработке Т8 является оптимальной для достижения желаемого уровня механических свойств в Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплаве. Наличие анизотропии прочностных свойств преимущественно связана с наличием слабой кристаллографической и сильной металлографической текстур в образцах Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава после горячей деформации. Обработка типа T8, включающая промежуточную пластическую деформацию растяжением на 5% и искусственное старение, является оптимальной с точки зрения достижения максимальных прочностных свойств и сохранением приемлемой анизотропии для удлинения до разрушения. Образцы Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава после ковки, ковки + экструзия, ковки + прокатка показали, что последняя комбинация обработок является предпочтительной с точки зрения подавления анизотропии пластичности. Комбинация циклической деформации, одноосного растяжения и старения позволяет повысить предел текучести и временное сопротивление разрушению до уникальных значений. В Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплаве после обработки Т6, включающей старение на максимальную прочность, присутствуют пластинчатые частицы с плоскостями габитуса {111}_Al и стержнеобразные выделения вытянутые вдоль <100>_Al. Были идентифицированы различные кристаллические структуры частиц, соответствующие как Т1-фазе (Al2CuLi, пластины) так и S1 (Al2CuMg, Cmcm (ламели) и S’-фазам (Al2CuMg или зоны ГПБII) (стержни). <100>Al ламели S1-фазы, вытянутые вдоль <100>Al, имеют плоскость габитуса {210}Al//(001)S1. В Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплаве после обработки Т8, включающей деформацию 10% и старение на максимальную прочность, были идентифицированы {111}Al пластины T1 фазы и <100>Al стержни S’-фазы (ГПБII), тогда как ламели S1-фазы отсутствовали по сравнению с состоянием T6. Статистический анализ размеров и распределения частиц показал, что увеличении дисперсности упрочняющих {111}_Al T1 пластин и <100>_Al S’ стержней, а также повышение плотности дислокаций до (1,8±0,2)×10^15 м^(-1) в совокупности обеспечивают повышение прочностных свойств Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава после обработки Т8, включающей промежуточную пластическую деформацию растяжением 10%, по сравнению с обработкой Т6. Испытания на определение скорости роста усталостной трещины (СРТУ, dа/dN) показали, что для исследуемых Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавов после старения на максимальную прочность при 150°С и 190°С величина dа/dN составляет (3,3±0,3) мм/1000 циклов при ∆K=31,6 МПа×√м в ориентации T-L. Легирование цинком Al-Cu-Mg-Ag сплавов не оказывает влияние на СРТУ. Для Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава значение dа/dN составляет 3,5 мм /1000 циклов при ΔK ~ 25 МПа×√м в ориентации T-L и 1,2 мм/1000циклов при ΔK ~ 31,6 МПа×√м в ориентации L-T. Было обнаружено, что вязкости разрушения (K1C) выше для Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавов после старения на максимальную прочность при более низкой температуре 150°С по сравнению с 190°С. Для экспериментального Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава величина K1C на 30% ниже аналогичного параметра для Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавов в ориентации T-L, тогда как в ориентации L-T - соизмерима с ними. Таким образом, как и в случае с СРТУ и механическими свойствами на растяжение, в Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплаве после обработки Т8 имеется существенная анизотропия в величине K1C. При испытании на сопротивлении ползучести для Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплава прослеживается тенденция к линейной зависимости времени до разрушения от уровня приложенных напряжений, тогда как для Al-Cu-Mg-Ag сплава имеет место перегиб. Следует отметить, что положение данного перегиба зависит от температуры испытания – примерно на 200 ч. при 165°С и 600 ч. при 150°С. Для Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплава в исследуемом интервале приложенных напряжений, перегиб более выражен на пределе ползучести при 165°С, и менее – при 150°С. Преимущество Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплавов из-за отсутствия перегиба на зависимостях пределов длительной прочности при 150°С и 165°С не очевидно по сравнению с Al-Cu-Mg-Ag сплавами. Деформационное поведение упрочняющих {111}_Al Ω пластин было изучено в сплаве Al-Cu-Mg-Ag в процессе испытания на ползучесть до разрушения при 150°C. Сплав был получен в двух исходных состояниях: старение на максимальную прочность при 150°С (LA) и 190°С (НА). Обнаружено, что переход от сдвига частиц к образованию дислокационной петли Орована происходит при критической толщине пластины 3-3,5 c_тета-o (2.54-2.97 нм). Для пластин тоньше критического значения полная дислокация обеспечивает смещение сегментов относительно друг друга в плоскостях, ортогональных плоскости габитуса частиц. Эти дискретные смещения/сдвиги частиц пропорциональны ¼ c_тета-o (1d_111Al) в направлении нормали к широкой поверхности пластины или габитусной плоскости пластины. Полная дислокация с вектором Бюргерса b = [001]_тета-o может диссоциировать на несколько частичных внутри орторомбической решетки (Al_2Cu, тета-o), из которой состоит {111}_Al пластины омега фазы. Установлено, что для толстых пластин дислокационная петля состоит из двух наиболее протяженных сегментов с выступами, делающими ее линию параллельной широким поверхностям пластин. Взаиморасположение этих двух сегментов, принадлежащих одной и той же дислокационной петле, вдоль широких границ раздела зависит от полей напряжений, возникающих, например, от выступов, образующихся после сдвига частиц, широких когерентных структур межфазных границ и объемной несовместимости между матрицей и выделением в направлении <111>_Al//<001>_тета-о. Дислокационные петли вызывают сегментацию частиц и нарушение ориентационного соотношения Al/омега за счет поворота отдельных сегментов вокруг осей <110>Al. Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплав подвергается расслаивающему типу коррозии независимо от режима обработки. Причем в случае с состоянием Т6, процесс растворения более активный по сравнению с обработкой Т8. Непосредственно сам механизм коррозионного поражения при расслаивающей коррозии не зависит от обработки и равнозначен, как для Т6, так и для Т8. Характеристики, полученные из потенциодинамических кривых, также подтверждают вывод о лучшей коррозионной стойкости после обработки Т8 по сравнению с Т6. Анализ микроструктуры поверхности Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава в состоянии Т8 показал формирование предпочтительных кристаллографических направлений растворения материала. Данный отчет представляет собой обобщение полученных результатов проекта. На данном этапе реализации соглашения РНФ опубликованы 3 статьи: (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422009119; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580322000298; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025622001173), индексируемых базами Scopus/Web of Science и входящие в Q1 по базе данных http://www.scimagojr.com/. Члены коллектива приняли участие в двух научных конференциях: «IV Байкальский материаловедческий форум» (1-7 июля 2022, г. Улан-Удэ и побережье оз. Байкал, https://www.binm.ru/conf/2022_BMF4/) и «Физическая мезомеханика материалов» (5-8 сентября 2022, г. Томск, http://meso.ispms.ru/). Информация о результатах проекта (с упоминанием Фонда) была распространена среди различных интернет-изданий и сайтов: НИУ «БелГУ» (https://bsuedu.ru/bsu/news/news.php?ID=757426&IBLOCK_ID=176), CoLab (https://colab.ws/news/152), INDICATOR (https://indicator.ru/engineering-science/uchenye-prodvinulis-v-sozdanii-zharoprochnykh-alyuminievykh-splavov-22-02-2022.htm), Пресс-служба РНФ (https://www.rscf.ru/news/release/unikalnaya-struktura-mikroskopicheskikh-plastin-chastits-obespechila-vysokuyu-zharoprochnost-alyumin/?sphrase_id=130531).

 

Публикации

1. Газизов М.Р., Беляков А.Н., Холместад Р., Газизова М.Ю., Красников В.С., Безбородова П.А., Кайбышев Р.О. The deformation behavior of the {111}Al plates in an Al-Cu-Mg-Ag alloy Acta Materialia, Том 243, номер статьи 118534 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118534

2. Газизов М.Р., Боев А.О., Мариоара С.Д., Холместад Р., Газизова М.Ю., Кайбышев Р.О. Edge interfaces of the Ω plates in a peak-aged Al-Cu-Mg-Ag alloy Materials Characterization, Volume 185, March 2022, 111747 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.111747

3. Красников В.С., Газизов М.Р., Майер А.Е., Безбородова П.А., Погорелко В.В., Кайбышев Р.О. Prediction of the strength of aged Al-Cu alloys with non-hybrid and hybrid {100}Al plates Computational Materials Science, 207 (2022) 111331 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2022.111331

4. Газизов М.Р., Газизова М.Ю., Кайбышев Р.О. Effect of 3%-stretching prior to peak-aging on the low-cyclic fatigue (LCF) behavior of an Al-Cu-Mg-Ag alloy Сборник тезисов международной конференции "ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЗМЫ НЕЛИНЕЙНОГО ПОВЕДЕНИЯ" (5-8 сентября 2022, г. Томск), с. 250-251 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25205/978-5-4437-1353-3-150

5. Газизов М.Р., Зуйко И.С., Малофеев С.С., Высоцкий В.В., Газизова М.Ю., Кайбышев Р.О. Solidification behavior and the effect of thermomechanical processing on the structure of an Al-Cu-Mg-Li-Zn-Ag alloy Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «IV Байкальский материаловедческий форум», (1–7 июля 2022 г., Улан-Удэ – оз. Байкал): электронное издание. – Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2022. – 691 с. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31554-978-5-7925-0619-0-2022-4-689

6. - Уникальная структура микроскопических пластин/частиц, обеспечила высокую жаропрочность алюминиевых сплавов Пресс-служба РНФ, Новость от 22 февраля, 2022 13:25 (год публикации - )

7. - Ученые продвинулись в создании жаропрочных алюминиевых сплавов INDICATOR, Новость в разделе "ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ" 13:14, 22 ФЕВРАЛЯ 2022 (год публикации - )

8. - Исследования белгородских учёных позволят получить улучшенные алюминиевые сплавы для авиастроения Новости на сайте НИУ "БелГУ", Раздел "Новости" на сайте bsu.edu.ru (год публикации - )

9. - Уникальная структура микроскопических пластин/частиц обеспечила высокую жаропрочность алюминиевых сплавов CoLab, Новость от 22 февраля 2022, область науки "Материаловедение" (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетный период в 2023 году оценили потенциал улучшения механических свойств Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплавов после термомеханической обработки (ТМО), включающей циклическое нагружение. Установлено, что циклическая деформация за счет прямого (растяжение) и реверсивного (сжатие) нагружения сопровождается формированием в Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплаве однородной структуры, состоящей из дислокационных петель. Одноосное растяжение после циклического нагружения стабилизирует сегменты дислокационных петель при температурах искусственного старения за счет их взаимодействия с «новыми» дислокациями. В Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплавах после циклического нагружения и одноосного растяжения подавляется выделение {111}Al пластин T1-фазы, тогда как основное упрочнение обеспечивается более дисперсными <100>Al стержнями. Установили, что для обоих исследуемых Al-Cu-Mg-Ag и Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплавов наблюдается перегиб на зависимостях времени разрушения от уровней приложенных напряжений (σа) (пределов ползучести и длительной прочности). Механическое поведение также подобно для обоих сплавов с учетом линейной экстраполяции данных зависимостей при продолжительных испытаниях (при небольших σа). При кратковременных испытаниях (при больших σа) Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплав демонстрирует незначительно лучшее сопротивление ползучести по сравнению с Al-Cu-Mg-Ag сплавом. Это связано со способностью Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплав сопротивляться пластической деформации в процессе ползучести меньшая накопленная степень деформации на начальных этапах оказывает положительное влияние на скорость огрубления упрочняющих частиц при продолжительных испытаниях. Анализ морфологии выделяющихся частиц не выявил качественной разницы в фазовом составе в рабочей части образцов Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) сплавах после ползучести при 200 МПа и продолжительности испытания 4367 и 3105 часов, соответственно. Длительные испытания на ползучесть приводит к значительному огрублению пластин Ω фазы в обоих сплавах по сравнению с исходными состояниями после старения на максимальную прочность. Установлено, что Ω-фаза проявляет незначительно худшее сопротивление утолщению в Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплаве. Кинетика огрубления упрочняющих частиц была изучена в процессе ползучести при 150°С и 165°С на примере Al-Cu-Mg-Ag сплава после старения на максимальную твердость при 190°С. Установлено, что увеличение толщины и диаметра {111}Al Ω пластины зависит от времени ползучести и не зависит от σa и общей пластической деформации, возникающей во время ползучести при 150°C и 165°C. Распад пересыщенного твердого раствора меди, сопровождающийся более высокой диффузионной активностью легирующих элементов и вызывает быстрое укрупнение частиц Ω при длительной ползучести при 150-165°С по сравнению с традиционным старением. Незначительная доля {100}Al θ’ пластин (Al2Cu, I4 ̅m2) и <100>Al S стержней (Al2CuMg, Cmcm) формируется как дискретно в Al матрице, так и могут обнаруживается агломерированной в комплексных выделениях вдоль дислокационных линий после ползучести. Установлено, что легирование цинком Al-Cu-Mg-Ag сплава носит неоднозначный характер с точки зрения стойкости к расслаивающей коррозии. При правильно подобранном режиме старения можно добиться лучшей стойкости к расслаивающей коррозии в Al-Cu-Mg-Ag-Zn сплаве, чем в Al-Cu-Mg-Ag сплава. При увеличении концентрации раствора до 3,5М NaCl легирование цинком способствует повышению коррозионной стойкости, в том числе стойкости к точечной коррозии. В растворах с меньшим содержанием соли NaCl более коррозионностойким является Al-Cu-Mg-Ag сплав. Al-Cu-Mg-Ag-Zn cплав после старения при 150°С демонстрирует высокую коррозионную стойкость в 1М NaCl растворе в условиях формирования растягивающих напряжений по сравнению с этим же состоянием без растягивающих напряжений. Однако, в целом более коррозионностойким состоянием при формировании растягивающих напряжений в 1М NaCl из всех исследуемых состояний остается Al-Cu-Mg-Ag сплав после старения при 150°С, также, как и для образцов без растягивающих напряжений. Исследовано влияние предварительной и промежуточной обработки, включающей прокатку, на ударную вязкость и анизотропию механических свойств Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава. Пластическую деформацию сплава проводили методом холодной прокатки с суммарной степенью обжатия 10%. Холодную прокатку (ХП) осуществляли постоянно в направлениях – параллельном (ГП||ХП) или перпендикулярном (ГПꓕХП) – относительно направления предварительной горячей прокатки (ГП) с суммарной степенью обжатия e~1. Обнаружено, что анизотропия в значительной степени зависит от направления деформации, и, следовательно, от металлографической текстуры в сплаве, формирующейся в процессе рекристаллизации при горячей прокатке. Совпадение направлений прокаток (ГП||ХП) приводит к усилению эффекта анизотропии. Для Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплавов применение различных режимов предварительных деформационных обработок типа ковки, прокатки, или экструзии, приводящих к полной или частичной рекристаллизации материала, критически важно контролировать металлографическую текстуру образцов с целью избежать появления большой степени анизотропии различных механических свойств. Поскольку, как было показано ранее для Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплавов, режимы обработки, включающие горячую прокатку в одном направлении с большими степенями обжатия, сопровождаются частичной или полной рекристаллизацией этих материалов и приводят к появлению металлографической текстуры и большой степени анизотропии механических свойств, в рамках данного проекта было решено уменьшить степень обжатия до е~1 и изменить схему прокатки с целью подавить рекристаллизационные процессы. За счет суперпозиции различных схем/направлений прокаток были проведены различные механические испытания в зависимости от ориентации направления растяжения. Направление прокатки образцов без поворота было либо параллельным (||), либо перпендикулярным (ꓕ) направлению испытания на растяжение. Дополнительно, (горячая и холодная) прокатка образцов включала схему с поворотом заготовки на 90° между проходами и равномерным распределением суммарной степени деформации в данных направлениях. Обнаружено, что прочностные свойства на растяжение выше у образцов сплава, испытание которых проводили вдоль направления горячей и независимо от направления холодной прокатки. Совпадение направлений горячей и холодной прокатки приводит к большей степени анизотропии механических свойств при растяжении, чем их перпендикулярность. Относительно высокие прочностные свойства при растяжении с низкой степенью их анизотропии демонстрирует Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zn сплава после горячей и холодной прокаток с поворотом заготовки на 90°. Все заявленные работы выполнены, а также публикационные показатели реализации проекта достигнуты в срок и в полном объеме. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные результата, полученным в рамках реализации проекта: https://nauka.tass.ru/nauka/18602249 https://habr.com/ru/news/757720/ https://indicator.ru/chemistry-and-materials/sliyanie-uprochnyayushikh-elementov-v-splave-privelo-k-potere-prochnosti-28-08-2023.htm https://rscf.ru/news/release/sliyanie-uprochnyayushchikh-elementov-v-splave-privelo-k-potere-prochnosti/ https://scientificrussia.ru/articles/ucenye-detalno-opisali-mehanizm-deformacii-aluminievyh-splavov-pri-dlitelnom-nagruzenii https://indicator.ru/physics/uchenye-detalno-opisali-mekhanizm-deformacii-alyuminievykh-splavov-pri-dlitelnom-nagruzhenii-22-12-2022.htm https://news.rambler.ru/tech/49917296-uchenye-detalno-opisali-mehanizm-deformatsii-alyuminievyh-splavov-pri-dlitelnom-nagruzhenii/ и другие.

 

Публикации

1. М.Р. Газизов, А.Н. Беляков, Р. Холместад, М.Ю. Газизова, В.С. Красников, П.А. Безбородова, Р.О. Кайбышев The coarsening behavior of strengthening particles in an Al–Cu–Mg–Ag alloy during creep Materials Science and Engineering: A, V. 884, 145515 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145515

2. Газизов М.Р., Боев А.О., Газизова М.Ю., Кайбышев Р.О. Интерметаллидные частицы в Al-Cu-Mg(-Si,-Ag) сплавах – просвечивающая электронная микроскопия атомного разрешения Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», c. 102-103 (год публикации - 2023)

3. Газизова М.Ю., Газизов М.Р., Кайбышев Р.О. Исследование коррозионной стойкости алюминиевого сплава Al-Cu-Mg-Li-Ag-Zn Сборник трудов ХI Евразийской научно-практической конференции "ПРОЧНОСТЬ НЕОДНОРОДНЫХ СТРУКТУР - ПРОСТ 2023", с. 23 (год публикации - 2023)

4. - Физики выяснили, почему снижается прочность авиационных сплавов ТАСС НАУКА, Новость от 14:02, 28 августа 2023 (год публикации - )

5. - Слияние упрочняющих элементов в сплаве привело к потере прочности ПОИСК, Новость от 14:02, 28 августа 2023 (год публикации - )

6. - Слияние упрочняющих элементов в сплаве привело к потере прочности Indicator, Новость в секции ХИМИЯ И НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ от 19:23, 28 августа 2023 (год публикации - )

7. - УЧЕНЫЕ ДЕТАЛЬНО ОПИСАЛИ МЕХАНИЗМ ДЕФОРМАЦИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ НАГРУЖЕНИИ Информация взята с портала «Научная Россия» Научная Россия, 22.12.2022 14:50 (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Научные результаты, полученные в рамках проекта, позволяют уточнить химические составы сплавов систем Al-Cu-Mg-Ag(-Zn) и Al-Cu-Mg-Ag-Li-Zn, а также режимы их термической и термомеханической обработок для получения повышенных механических и улучшенных химических свойств. Научные результаты проекта свидетельствуют о высоком потенциале в улучшении механических свойств данных алюминиевых сплавов в процессе термической и/или термомеханической обработок. Описание обнаруженных взаимосвязей между параметрами термической/термомеханической обработки, микроструктурой и свойствами позволяют перейти к практическому внедрению полученных результатов. В ходе выполнения работ получены новые научные знания в области материаловедения и сформированы перспективные направления для дальнейшего развития исследований по данной тематике. Публикации в высокорейтинговых рецензируемых научных журналах свидетельствует о научной новизне полученных результатов и предложенных подходов, и актуальности проводимых исследований в современном научном обществе. Исследуемые сплавы могут найти применение в качестве конструкционных материалов в различных отраслях промышленности. В случае заинтересованности полученные фундаментальные результаты проекта являются научным заделом для проведения совместных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с различными индустриальными партнерами.