Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Проведены исследования микроструктуры промышленных сплавов марок АМг2, АМг5, АМг6 и 1570. Показано, что сплавы в исходном состоянии имеют частично-рекристаллизованную микроструктуру со средним размером зерна 20-30 мкм, в которой присутствуют Fe- и Si-содержащие строчечные включения размером от 0.5 до 2 мкм, располагающиеся преимущественно в объеме зерен, а так же частицы b-фазы, располагающиеся преимущественно по границам зерен. Минимальным пределом текучести (150-155 МПа) и пределом прочности (230-240 МПа) обладает сплав АМг2, а максимальными прочностными характеристиками – сплав 1570 (предел прочности 430 МПа, предел текучести 365 МПа). Исследовано влияние высокотемпературных гомогенизирующих отжигов на микроструктуру сплавов; показано, что длительный гомогенизирующий отжиг в интервале температур 350-400 оС позволяет существенно уменьшить объемную долю частиц b-фазы по границам зерен алюминия. Средний размер зерна в сплавах изменяется незначительно. Проведены фрактографические исследования изломов образцов в исходном состоянии и после длительных гомогенизирующих отжигов. Показано, что гомогенизирующий отжиг практически не влияет на характер изломов сплавов АМг, но приводит к увеличению размеров ямок и доли вязкой составляющей в сплаве 1570. Выбраны режимы отжига сплавов АМг и 1570, обеспечивающие получение микроструктуры с различным структурно-фазовым состоянием границ зерен. 2. Разработаны основы методики электрохимических исследований алюминиевых сплавов на стойкость к межкристаллитной коррозии (МКК). В основу методики положены два типа испытаний: (i) получение Тафелевской зависимости, результаты анализа которой (плотность тока коррозии, потенциал коррозии), верифицируются с использованием испытаний на потерю массы; (ii) испытания при постоянном токе (плотности тока) или постоянном потенциале в течение длительного времени, которые верифицируются за счет металлографического анализа характера коррозионного разрушения поверхности образцов после испытаний. Проведены исследования влияния качества обработки поверхности и состав водной среды на результаты испытаний. Разработаны основы методики испытаний алюминиевых сплавов на стойкость против зарождения трещин коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) при испытании по схеме 3х-точечного изгиба. В качестве основных параметров стресс-коррозионной стойкости алюминиевых сплавов используется время инкубационного периода (время до появления первой трещины размером 0.2-0.5 мм) при заданном напряжении, а также вероятность разрушения образцов при заданной базе испытания (число образцов в серии из 10 шт. на поверхности которых было обнаружено появление микротрещин длинной не менее 0.2 мм). Показано, что средняя вероятность разрушения образцов промышленных сплавов составляет 70% - при базе испытания не менее 72 ч и величине напряжения близкой к пределу прочности, появление трещин фиксируется на 7 из 10 образцов. Исследовано влияние уровня шероховатости поверхности, величины приложенной нагрузки, состава среды на достоверность получаемых результатов. Проведены предварительные исследования влияния электрохимических условий на склонность промышленных сплавов к КРН. 3. Проведены электрохимические исследования при стационарном значении плотности тока и/или стационарном потенциале промышленных сплавов в исходном состоянии, в гомогенизированном состоянии и в состоянии после РКУП. Показано, что гомогенизация и/или РКУП приводят к уменьшению размера дефектов МКК. Это свидетельствует о повышении коррозионной стойкости промышленных сплавов, что обусловлено уменьшением размера и объемной доли частиц b-фазы. Отмечено, что при этом скорость общей коррозии при стационарных испытаниях на потерю массы и скорость коррозии, рассчитанная на основе анализа Тафелевских зависимостей, практически не изменяются. 4. Для проведения исследований изготовлены крупнозернистые и ультрамелкозернистые (УМЗ) сплавы Al-6%Mg-Sc-Zr с суммарным содержанием Sc + Zr = 0.32 вес.%. Содержание Sc и Zr в сплавах изменялось с шагом в 0.02 вес.% так, чтобы суммарное содержание оставалось постоянным Sc + Zr = 0.32 вес.%. Заготовки сплавов получены методом индукционного литья в вакууме, с помощью литьевой машина Indutherm VTC-200V (Германия). Для формирования УМЗ микроструктуры заготовки подвергали N = 3 циклам РКУП при температуре 275 ºC с помощью гидравлического пресса Ficep HF400L. Изготовлена партия из 8 заготовок с различным соотношением Sc и Zr, из которых вырезались образцы для проведения исследований. 5. Исследована микроструктура и механические свойства новых литых и УМЗ сплавов Al-6%Mg-Sc-Zr с различным соотношением скандия и циркония (при Sc+ Zr = 0.32%). Образцы литых сплавов имеют однородную макроструктуру с тонким слоем столбчатых кристаллов по краям поперечного сечения слитка. Крупных пор в центральной части образцов не наблюдается. Варьирование содержания Sc и Zr не оказывает влияние на макроструктуру слитка, но уменьшение содержания скандия приводит к практически полному исчезновению зоны крупных столбчатых кристаллов по краям образцов. Исследования микроструктуры литых сплавов показывают, что при кристаллизации образцов наблюдается образование первичных субмикронных частиц Al3(Sc,Zr). В сплавах с повышенным содержанием циркония наблюдаются частицы прямоугольной формы с повышенным содержанием циркония. После РКУП сплавы имеют однородную УМЗ микроструктуру с размером зерна ~0.5-1 мкм. Аномально крупных зерен в структуре сплава не наблюдается. Изучены особенности деформационного поведения литых и УМЗ сплавов Al-6%Mg-Sc-Zr с различным соотношением скандия и циркония при Sc + Zr = 0.32 вес.%. Показано, что предельные значения удлинения до разрушения УМЗ сплавов (> 1500%) в несколько раз превосходят аналогичные значения для литых сплавов (< 200%). Максимальная пластичность наблюдается для УМЗ сплавов с соотношением Sc:Zr = 0.28-0.32. Значения коэффициента скоростной чувствительности напряжения течения m близки к 0.4 при температурах 450-500 оС и не зависят от соотношения Sc:Zr. При горячей деформации УМЗ сплавов наблюдается интенсивное порообразование, причем увеличение содержания Sc приводит к повышению объемной доли и размера пор. Поры расположены преимущественно по границам зерен сплавов. Высказано предположение, что причиной интенсивного порообразования является образование крупных частиц Al3Sc по механизму прерывистого распада. При горячей деформации УМЗ сплавов происходит процесс рекристаллизации, сопровождающийся формированием однородной мелкозернистой микроструктуры в деформированной части образцов. Средний размер зерна в деформированной части образцов уменьшается при повышении содержания скандия в составе сплавов Al-6%Mg-Sc-Zr. Микроструктура УМЗ сплавов с повышенным содержанием циркония после деформации характеризуется наличием аномальной крупных зерен, по границам зерен которых расположены поры. 6. Проведены коррозионные и коррозионно-механические испытания сплавов Al-6%Mg-Sc-Zr с различным содержанием скандия и циркония. Исследовались сплавы в состоянии после литья. Показано, что основные характеристики коррозионной стойкости литых сплавов оказываются меньше, чем коррозионная стойкость сплавов АМг6 и 1570. Это связно с тем, что в литых сплавах наблюдается повышенное содержание частиц b-фазы по границам зерен, а также повышенная концентрация Mg вблизи границ зерен. Это приводит к ускорению МКК в средах, содержащих HCl и NaCl. Установлено, что стойкость против зарождения трещин КРН в новых литых сплавах оказывается меньше, чем у сплавов АМг6 и 1570. Показано, что пониженная стресс-коррозионная стойкость литых алюминиевых сплавов обусловлена, в первую очередь, их низкими прочностными характеристиками.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. По оптимизированным режимам индукционного литья в вакууме, горячей экструзии и равноканального углового прессования (РКУП) изготовлена партия литых и ультрамелкозернистых (УМЗ) заготовок алюминиевых сплавов Al-XMg-Sc-Zr с содержанием магния X = 2.5, 4.0 и 6.0%Mg, в которых содержание Sc и Zr варьировали от 0.1 до 0.22% с шагом в 0.02% при постоянном суммарном содержании скандия и циркония Sc + Zr = 0.32%. Изготовлена партия литых и УМЗ сплавов Al-6%Mg-0.12%Sc-0.10%Zr с добавкой 0.1%Yb, Er, Hf. В качестве объектов исследования выступали промышленные сплавы АМг2, АМг5, АМг6 и 1570, в которых УМЗ микроструктура была сформирована методом теплого РКУП. 2. Исследована термическая стабильность микроструктуры и твердого раствора в литых и УМЗ сплавах Al-XMg-Sc-Zr. Проведено исследование влияния соотношения Sc:Zr на скорость изменения УЭС и микротвердости, а также на скорость роста зерен. 3. Изучено деформационное поведение при повышенных температурах УМЗ сплавов Al-6%Mg-Sc-Zr. Проведен фрактографический анализ изломов образцов после испытаний на растяжение, а также изучен характер эволюции микроструктуры в сплавах с различным соотношением Sc:Zr. Определены значения коэффициента деформационного упрочнения, коэффициента скоростной чувствительности и порогового напряжения течения при сверхпластичности. Установлено, что зернограничное проскальзывание и внутризеренная деформация вносят сопоставимый вклад в сверхпластическое течение УМЗ сплавов. Показано, что при сверхпластической деформации УМЗ сплавов Al-6%Mg-Sc-Zr наблюдается динамическая рекристаллизация, которая приводит к формированию неоднородной мелкозернистой микроструктуры. Изменение соотношения Sc:Zr влияет на характер пространственного распределения и состав выделяющихся частиц. Показано, что при сверхпластической деформации УМЗ сплавов Al-6%Mg-Sc-Zr наблюдается интенсивное образование пор, которые образуются на частицах Al3(Sc,Zr). 4. Проведены исследования коррозионной стойкости литых и УМЗ сплавов Al-Mg-Sc-Zr. Испытания проводились в средах моделирующих межкристаллитную коррозию. Увеличение концентрации Sc и уменьшение концентрации Zr приводит к значительному повышению тока коррозии в неотожженных сплавах с 4% и 6%Mg. Увеличение содержания Mg приводит к повышению скорости коррозии. Отжиг приводит к немонотонному (с максимумом при температуре 400-450 оС) изменению скорости коррозии сплавов, но масштаб этого изменения зависимость от соотношения Sc:Zr. Отмечено, что величина максимального тока коррозии зависит от соотношения Sc:Zr и растет с увеличением содержания Sc. Показано, что повышение скорости коррозии при увеличении концентрации Mg обусловлено его влиянием на количество частиц b-фазы, которые расположены по границам зерен. РКУП позволяет измельчить частицы β-фазы и, как следствие, снизить их отрицательное влияние на коррозионную стойкость алюминиевых сплавов. Анализ влияния частиц Al3(Sc,Zr) и соотношения Sc:Zr на коррозионную стойкость сплавов в исходном состоянии показывает, что крупные первичные частицы с повышенным содержанием Sc являются катодами и провоцируют локальную коррозию. Частичное замещение скандия на цирконий (уменьшение соотношения Sc:Zr) приводит к уменьшению скорости коррозии. Установлено, что выделение при отжиге частиц Al3(Sc,Zr) приводит к увеличению скорости коррозии. Показано, что снижение скорости коррозии при более высоких температурах отжига (более 450 оС) связано с двумя факторами: (a) началом растворения частиц b-фазы; (b) быстрым ростом выделившихся частиц Al3(Sc,Zr), что приводит к уменьшению числа частиц и, соответственно, уменьшению площади межфазной границы «алюминий – частица». 5. Проведены испытания на коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) и коррозионную усталость образцов промышленных сплавов Al-Mg, а также коррозионно-механические испытания новых литых и УМЗ сплавов Al-Mg-Sc-Zr. Показано, что при коррозионно-механических испытаниях очень большую роль играют крупные интерметаллиды Al(Mn,Si,Fe), являющиеся источниками образования микротрещин, которые далее распространяются вглубь зерна. РКУП позволяет частично измельчить интерметаллиды и снизить их негативный вклад в снижение коррозионно-механической прочности сплавов. Показано, что в УМЗ сплавах образуются более мелкие трещины, которые распространяются с большей скоростью в УМЗ зернах. Повышенная прочность УМЗ сплавов позволяет повысить пороговое разрушающее напряжение КРН и предел выносливости сплавов. Новые сплавах Al-Mg-Sc-Zr обладают высоким временем инкубационного периода до образования трещины КРН или коррозионной усталости по сравнению с промышленными аналогами. Показано, что в УМЗ сплавах изменяется механизм образования зародышевой микротрещины – на начальном этапе испытания на КРН сначала развивается межкристаллитная коррозия (МКК), высокая интенсивность которой связана, в первую очередь, с наличием частиц β-фазы. При увеличении времени выдержки в электролите, глубина дефекта МКК увеличивается и он превращается в трещиноподобный дефект, который достаточно быстро развивается и достигает размера в несколько миллиметров. 6. Продолжены работы по моделированию процесса роста трещины коррозионного растрескивания под напряжением и коррозионно-усталостной трещины в мелкозернистых алюминиевых сплавах. Моделирование осуществляли методом конечных элементов, в пакете ANSYS Workbench. При моделировании предполагали, что в образцах есть зародышевые микротрещины (трещиноподобные дефекты, образовавшиеся в результате межкристаллитной коррозии (см. выше)). Измельчение зеренной структуры при моделировании учитывали через повышение предела текучести и предела прочности материала. На основании анализа полученных результатов показано, что формирование УМЗ микроструктуры должно приводить к увеличению времени инкубационного периода КРН, а также к повышению порогового напряжения КРН и предела выносливости. Отмечено, что УМЗ алюминиевые сплавы с повышенной прочностью должны обладать более высокой скоростью роста коррозионно-механических трещин. 7. Исследована стабильность микроструктуры и изучено деформационное поведение УМЗ сплавов Al-6%Mg-0.12%Sc-0.10%Zr-0.1%X, где X = Yb, Er, Hf. Обнаружен эффект одновременного увеличения напряжения течения и удлинения до разрушения в режиме сверхпластичности. Проанализировано влияние типа и концентрации легирующих элементов на деформационное поведение и рост зерен в УМЗ сплавах Al-6%Mg. Показано, что при высоких температурах деформации наблюдается конкуренция деформационно-стимулированного роста зерен и динамической рекристаллизации, которая приводит к измельчению зеренной микроструктуры. Показано, что частичная замена скандия или циркония на аналогичное по массе содержания Yb или Er не является эффективным из-за малой растворимости этих металлов в кристаллической решетке алюминия. Это приводит к образованию крупных первичных частиц Al3Yb и Al3Er, которые далее являются причиной кавитационного разрушения этих сплавов при сверхпластичности. Образование первичных частиц приводит к уменьшению концентрации Yb и Er в твердом растворе и, как следствие, к снижению числа выделяющихся при нагреве вторичных наночастиц Al3Yb или Al3Er. Это не позволяет обеспечить высокую прочность и твердость УМЗ сплавов, а также обеспечить высокий уровень стабильности микроструктуры УМЗ сплавов с добавкой 0.1%Yb и 0.1%Er. Частичная замена Sc и Zr на аналогичное по массе содержание Hf является наиболее эффективным. В УМЗ сплаве с добавкой 0.1%Hf практически полностью отсутствуют крупные первичные частицы, что позволяет достичь высоких значений удлинения до разрушения. Эффективность применения Hf в качестве частичной замены Sc или Zr сдерживается его высокой растворимостью в кристаллической решетке алюминия, что приводит к снижению объемной доли выделяющихся частиц Al3(ScxHf1-x), и к недостаточной прочности и стабильности УМЗ сплавов Al-6%Mg.