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

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 проекта 21-19-00466

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

Руководитель Газизов Марат Разифович, Кандидат технических наук

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

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

Код ГРНТИ53.49.05

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.1016/j.matchar.2021.111586

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)
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)
10.1016/j.commatsci.2022.111331

4. 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)
10.1016/j.actamat.2022.118534

5. 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)
10.25205/978-5-4437-1353-3-150

6. 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)
10.31554-978-5-7925-0619-0-2022-4-689

7. 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)

8. 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)

9. 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)
10.1016/j.msea.2023.145515

Публикации