Исследование закономерностей структурообразования и разработка новых высокотехнологичных сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с редкоземельными металлами

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 22-79-10142

НазваниеИсследование закономерностей структурообразования и разработка новых высокотехнологичных сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с редкоземельными металлами

Руководитель Хомутов Максим Геннадьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова алюминиевые сплавы, эрбий, иттрий, наночастицы, рекристаллизация, микроструктура, фазовый состав, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, механические свойства, карты деформации.

Код ГРНТИ53.49.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Благодаря хорошему комплексу механических, технологических и коррозионных свойств алюминиевые сплавы имеют широкое применение в автомобиле-, авиа-, судостроении и других отраслях промышленности. Однако постоянно растущие темпы развития промышленности требуют материалов с более высоким уровнем эксплуатационных свойств. Поиск перспективных систем легирования и оптимизация имеющихся для разработки новых материалов с повышенными свойствами является актуальной задачей, в том числе для расширения применения алюминиевых сплавов. Высокопрочные алюминиевые сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu имеют некоторые недостатки, к которым в первую очередь относится низкая технологичность при литье и низкая жаропрочность. Такие недостатки необходимо устранять как для литейных, так и для деформируемых сплавов. Согласно литературным данным максимальная прочность достигается при высоком соотношении Zn/Mg, но при этом технологичность при литье весьма низкая. При этом все высокопрочные сплавы, имея матричную структуру, не отличаются высокой жаропрочностью. Исследования последних лет показали, что легирование сплавов Al-Zn-Mg эвтектикообразующими элементами (такими как Fe, Ni, Mn, Si), позволяет несколько повысить их литейные свойства, приблизив к силуминам (сплавы на основе системы Al-Si). Настоящий проект направлен на исследование и разработку новых сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu при легировании редкоземельными металлами иттрием и эрбием. При соотношении Zn/Mg равном 1 сплавы сочетают в комплексе хорошую технологичность при литье, прочность, жаропрочность и коррозионную стойкость. Иттрий и эрбий в алюминиевых сплавах с медью образуют при кристаллизации жаропрочные термически стабильные эвтектические фазы, что должно способствовать повышению как технологичности при литье, так и жаропрочности. Совместно с цирконием эти добавки являются эффективными упрочнителями за счет образования дисперсоидов при отжиге. Легирование базовых сплавов такими элементами как цирконий, марганец, титан будет использовано с целью повышения эффекта от упрочняющей термической обработки и повышения конечных прочностных характеристик. Для достижения целей проекта необходимо провести комплексное исследование структурообразования и свойств сплавов, начиная с базовых сплавов, заканчивая сложнолегированными композициями. Цинк, магний и медь делают сплавы термически упрочняемыми путем закалки и старения с образованием наноразмерных продуктов распада. Таким образом, в сплавах будет реализован механизм дисперсионного упрочнения, что позволит обеспечить высокие значения прочностных характеристик. При этом в сплавах с соотношением Zn/Mg равном 1 упрочняющее старение протекает с образованием более термически стабильной модификации фазы T (AlZnMgCu). Несмотря на то, что эффект на при комнатной температуре ниже чем в классических высокопрочных сплавах, фаза T обеспечит большую жаропрочность в комплексе с фазами кристаллизационного происхождения и дисперсоидами в редкоземельными металлами . Исследование закономерностей формирования структуры и ее влияния на свойства новых сплавов, в том числе дополнительно легированных марганцем, цирконием, титаном и др. малыми добавками, в процессе закалки и старения, термомеханической обработки позволит определить перспективные композиции для разработки новых алюминиевых сплавов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. М.В.Главатских, Л.Е.Горлов, Р.Ю.Барков, М.Г.Хомутов, А.В.Поздняков MICROSTRUCTURE, MECHANICAL AND CORROSION PROPERTIES OF NOVEL CAST HEAT RESISTANT Al-4Zn-4Mg-4Cu-Zr-Y(Er) ALLOY Metallurgist, №8 (год публикации - 2023)

2. М.В. Главатских, Р.Ю. Барков, М.Г. Хомутов, А.В. Поздняков STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Y(Er) ALLOYS SHEETS DOPED BY MANGANESE Physics of Metals and Metallography, №5, т.124 (год публикации - 2023)

3. М.В. Главатских, Р.Ю. Барков, Л.Е. Горлов, М.Г. Хомутов, А.В. Поздняков Novel Cast and Wrought Al-3Zn-3Mg-3Cu-Zr-Y(Er) Alloys with Improved Heat Resistance. Metals, V.13, 909 (год публикации - 2023)
10.3390/met13050909

4. М.В. Главатских, Л.Е. Горлов, Р.Ю. Барков, А.В. Поздняков Effect of Retrogration And Reaging On Microstructure And Properties Of The Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Er Alloy Metallurgist, 68 (2024) 702–710 (год публикации - 2024)
10.1007/s11015-024-01776-5

5. М.В. Главатских, Р.Ю. Барков, Л.Е. Горлов, М.Г. Хомутов, А.В. Поздняков Microstructure and Phase Composition of Novel Crossover Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Y(Er) Alloys with Equal Zn/Mg/Cu Ratio and Cr Addition. Metals, V. 14, 547 (год публикации - 2024)
10.3390/met14050547

6. М.В. Главатских, Р.Ю. Барков, М.Г. Хомутов, А.В. Поздняков Influence of manganese on the phase composition and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Y(Er) alloys Metallurgist, V.67 (год публикации - 2024)
10.1007/s11015-024-01683-9

7. Главатских М.В., Горлов Л.Е., Логинова И.С., Барков Р.Ю., Хомутов М.Г., Чурюмов А.Ю., Поздняков А.В. Effect of Er on the Hot Deformation Behavior of the Crossover Al3Zn3Mg3Cu0.2Zr Alloy Metals (год публикации - 2024)
10.3390/met14101114

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На данном этапе детально исследовано влияние ретроградного старения на структуру и свойства новых композиций и определен комплекс эксплуатационных свойств. Методами просвечивающей электронной микроскопии и атомно-зондовой томографии исследовано отличие в структуре после разных режимов старения. Результаты исследования подтверждают теорию ретроградного старения. Выделить частицы дисперсоидов, образованных хромом, на фоне основных продуктов старения с существенно большей объемной долей не удалось. По результатам испытаний на электрохимическую коррозию стоит отметить, что сплавы со сниженным до 3,5% содержанием Zn/Mg/Cu и добавкой хрома имеют большую коррозионную стойкость чем, сплавы с 4% Zn/Mg/Cu и промышленные сплавы 7475 и АЦ4Мг. Трехступенчатый режим ретроградного старения обеспечивает высокую коррозионную стойкость сплавам Al3.5Zn3.5Mg3.5CuYCr и Al3.5Zn3.5Mg3.5CuErCr. Для новых сплавов глубина проникновения коррозии находится на уровне 50-100 мкм, в то время как для сплава АМ5 она доходит до 200 мкм. Иными словами сплавы имеют достаточно высокий уровень стойкости к межкристаллитной коррозии. Для адаптации нового сплава к промышленным условиям с возможным использованием более дешевого алюминия, вторичного сырья и возможности применения как кроссоверного сплава определено влияние примесей в более широком диапазоне. В дополнение все ранее проведенные исследования были осуществлены на лабораторных слитках, полученных со скоростью охлаждения около 10 К/с, а промышленные условия могут охватывать более широкий диапазон скоростей при кристаллизации в песчаных формах (менее 1 К/с) или при использовании аддитивных технологий (105-107 К/с). Для деформируемых сплавов с 2,5% Zn/Mg/Cu проведено исследование влияния двух режимов ретроградного старения на механические свойства и коррозионную стойкость после литья и закалки, прокатки, рекристаллизации с закалкой. Сплавы со сниженным до 2,5% содержанием Zn/Mg/Cu и добавкой хрома имеют несколько лучшую коррозионную стойкость чем, сплавы с 3% Zn/Mg/Cu и существенно более высокую стойкость после высокотемпературного и ретроградного старения, чем старения промышленные сплавы 7475 и АЦ4Мг. Ввиду большого количества интерметаллидов в структуре сплавы Al4Zn4Mg4Cu, Al4Zn4Mg4CuY и Al4Zn4Mg4CuEr имеют очень низкую пластичность при комнатной температуре при достаточно высокой прочности в 421-477 МПа. При повышении температуры испытания до 200°С пластичность сплава Al4Zn4Mg4Cu существенно повышается, а предел текучести снижается до 339 МПа. В сплавах Al4Zn4Mg4CuY и Al4Zn4Mg4CuEr в виду большего количества крупных интерметаллидов пластичность сохраняется на низком уровне, а соответствующая меньшая доля (Al) обеспечивает меньший предел текучести в 316-324 МПа. После растяжения при 250°С во всех сплавах удлинение существенно выше 1,5-4,5%, а уровень предела текучести примерно одинаков и составляет 217-222 МПа. Т.е. легирование иттрием или эрбием обеспечивает меньшее разупрочнение при повышении температуры. Более однородная и компактная микроструктура в сплаве Al4Zn4Mg4Cu обеспечивает большую 100-часовую прочность при 200°С равную 142 МПа против 117-122 МПа для сплавов с иттрием или эрбием. Для сравнения все высокопрочные деформируемые и литейные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu имеют меньший уровень свойств при температурах 205-260°С. Свойства сплавов Al3Zn3Mg3Cu, Al3Zn3Mg3CuY и Al3Zn3Mg3CuEr существенно ниже, но меньшее количество легирующих элементов обеспечивает существенно большую пластичность даже при комнатной температуре (1,4-3% против 0,1-0,2 в сплавах с 4% Zn/Mg/Cu). При этом наилучшая пластичность получена в сплаве Al3Zn3Mg3CuY, этот же сплав имеет максимальный предел длительной прочности. Для сравнения промышленный литейный сплав 771.0 (Al7Zn-0.9Mg-0.13Cr) имеет существенно меньший предел текучести (185 MPa) после примерно такого же старения при 205°С в течение 6 часов. Как промежуточное заключение, можно отметить, что новые литейные сплавы превосходят по прочностным характеристикам, особенно при повышенной температуре, промышленные аналоги, а уровень их литейных свойств соответствует хорошим литейным сплавам – медистым силуминам. В сплавах Al3Zn3Mg3CuY и Al3Zn3Mg3CuEr достигнуто отличное сочетание предела текучести (σ0,2=291-345 МПа) и относительного удлинения (11-14,8%), что существенно выше, чем в сплаве Al3Zn3Mg3Cu (σ0,2=245-340 MPa при 6,8-12,5% пластичности). Новые сплавы демонстрируют хороший уровень прочности, не уступая после старения по определённым режимам (150°С, 30 ч) прочным сплавам АМ5 и АК8М3ч. В сравнение с литейными аналогами системы Al-Zn-Mg-(Cu) (сплавы АЦ4Мг, 771.0) новые композиции имеют существенно большую прочность и, как показано ранее, лучшую коррозионную стойкость. Ретроградное старение (150°С, 30 ч+ 210°С, 1 ч+150°С, 10 ч) обеспечивает высокую прочность 312-331 МПа. Предел текучести сплавов без хрома после прокатки, закалки и старения при 120-210°С составляет 291-345 МПа при пластичности 10,3-14,8%. Менее легированные сплавы с хромом Al2.5Zn2.5Mg2.5CuYCr и Al2.5Zn2.5Mg2.5CuErCr после той же обработки имеют предел текучести 280-312 МПа при удлинении 9-16%. Максимальную пластичность (16-17%) и прочность (σв = 454-470 МПа) обеспечивает естественное старение. В дополнение листы сплавов Al2.5Zn2.5Mg2.5CuYCr и Al2.5Zn2.5Mg2.5CuErCr отожжены после прокатки при 150-210°С в течение 3 часов. После низкотемпературного отжига пластичность составила 2,9-4% при высоких прочностных характеристиках (σ0,2 = 320-405 МПа, σв = 361-452 МПа). Новые композиции имеют предел текучести на уровне сплавов 1580 (Al-Mg-Sc) и Д16 (Al-Cu-Mg), превосходя магналий по пределу прочности, а дюраль по литейным свойствам (свариваемости) и коррозионной стойкости. Свойства новых сплавов находятся между свариваемыми типа 1915 и 7005 (превосходят) и высокопрочными типа В95А и 7475 (уступают). Однако новые композиции имеют более высокую коррозионную стойкость и литейные свойства (свариваемость). По результатам испытаний на растяжение после ретроградного старения сплавы Al2.5Zn2.5Mg2.5CuYCr и Al2.5Zn2.5Mg2.5CuErCr демонстрируют высокий предел текучести (294-327 МПа) и предел прочности (415-440 МПа), равные или большие, чем после одноступенчатого старения. Основные рекомендации по легированию новых сплавов сформулированы в патенте.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные в рамках реализации проекта и защищенные патентом новые высокотехнологичные и жаропрочные сплавы с высокой коррозионной и износостойкостью могут быть применимы в различных отраслях промышленности за счет уникального сочетания не сочетаемых характеристик эксплуатационных свойств. Новые композиции могут заместить промышленные аналоги, увеличив срок службы изделий из них. Новые композиции могут быть применимы как для классического литья изделий, так и для получения деформируемых полуфабрикатов, а также легко адаптированы для аддитивного производства. Применение новых композиций позволит расширить номенклатуру изделий из алюминиевых сплавов.