Исследование формирования физико-механических свойств и микроструктуры при литье и термомеханической обработке новых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mn-Mg, в том числе с комплексными добавками переходных металлов (Sc, Zr, Hf)

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 24-19-00064

НазваниеИсследование формирования физико-механических свойств и микроструктуры при литье и термомеханической обработке новых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mn-Mg, в том числе с комплексными добавками переходных металлов (Sc, Zr, Hf)

Руководитель Коновалов Сергей Валерьевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" , Кемеровская обл (Кузбасс)

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые слова Алюминиевые сплавы, микроструктура, система Al-Cu-Mn-Mg, литье, термомеханическая обработка, скандий, цирконий, гафний, математическое моделирование

Код ГРНТИ53.43.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
За счет своей высокой технологичности и приемлемой прочности, алюминиевые деформируемые сплавы являются одними из самых востребованных и перспективных материалов нашего времени. Особый интерес представляют малоизученные термостойкие сплавы системы Al-Cu-Mn-Mg и их модификации. На данный момент сплавы применяются исключительно в электротехнической промышленности и автомобилестроении, однако в перспективе они могут обладать уникальным комплексом свойств, благодаря добавкам различных переходных элементов. Легирование такими металлами как скандий, цирконий, гафний позволит применять новые сплавы в железнодорожной, аэрокосмической и авиационных промышленностях. Достижение необходимых свойств возможно при получении структуры с максимальным количеством фазы Al20Cu2Mn3 вместо выделений фазы Al2Cu. Сплавы системы Al-Cu-Mn-Mg по уровню механических свойств сравнимы с жаропрочными алюминиевыми сплавами типа 1201. Кроме того, существует возможность сокращения производственного цикла новых сплавов, поскольку отсутствует необходимость проведения гомогенизационного отжига и закалки, из-за чего следует уменьшение общего времени, затраченного на термообработку. Как правило, для достижения данного эффекта требуется правильно подобранный режим литья, который обеспечивает достаточную пластичность слитков для их деформирования без предварительного отжига. В то же время, современные исследования не содержат того объема сведений о механических и физических свойствах рассматриваемой системы, а также об особенностях формирования микроструктуры в системе Al-Cu-Mn-Mg как без добавок переходных элементов, так и с добавками различного количества и различного сочетания Sc, Zr, Hf при термодеформационной обработке. Следует отметить, ограниченность применения сплавов обусловлена недостатком соответствующих научных данных, что и является проблемой, на решение которой направлен проект. Таким образом, в сплавах системы Al-Cu-Mn-Mg с одной стороны можно достичь уникального комплекса механических и эксплуатационных свойств, который позволит значительно расширить их применение в отечественной промышленности, при одновременном сокращении производственной цепочки. Сочетание повышенных механических характеристик наряду с экономичностью технологии производства относительно аналогов подтверждает востребованность и конкурентоспособность новой системы. Из этого следует, что целью работы является изучение влияния литья и термодеформационной обработки на закономерности формирования структурно-фазового состава и физико-механических свойств в системе Al-Cu-Mn-Mg, Al-Cu-Mn-Mg, Al-Cu-Mn-Mg-Sc с добавками Sc, Zr, Hf и без.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На текущем этапе проекта были исследованы сплавы системы АЛТЭК (Al-Cu-Mn-Mg) с добавками Sc, Hf и Zr в литом состоянии, а также после гомогенизации. В качестве базовой была взята уже изученная система Al-Cu-Mn, в которой диапазоны содержания элементов варьировались для Cu 2-3% и Mn 1,5-2%. Это было сделано для того, чтобы было удобно сравнивать результаты, полученные для новых систем легирования. Основная сфера использования данных сплавов – электротехника. Кроме того, были взяты сплавы Al-Cu-Mn с содержанием магния 0,2 %, 0,5 % и 1 %, который вводился для дополнительного твердорастворного упрочнения. Потенциальные сферы применения данных сплавов – электротехника и аэрокосмическая промышленность. В Al-Cu-Mn-Mg, в свою очередь, были добавлены в различных сочетаниях малые добавки Sc, Hf и Zr, необходимые для выделения упрочняющих частиц типа Al3(ScHfZr). Сплавы исследовались с помощью сканирующей и просвечивающей микроскопии, в них определялась электропроводность и микротвердость (как в литом состоянии, так и их изменения в ходе гомогенизации), также были проведены расчеты в TERMOCALK. Исследования еще раз подтвердили, что для сплавов Al-Cu-Mn гомогенизация не нужна, в то же время для сплавов Al-Cu-Mn-Mg вопрос не столь однозначен. При высокой скорости охлаждения предварительный нагрев для них не требуется, однако при литье в стальной кокиль в них возникают неравновесные частицы Al2CuMg, что вызывает необходимость предварительного нагрева при температуре 450 0С и 8 ч выдержки. Следует отметить, что положительным результатом такого нагрева является выделение полезной термостабильной фазы Al20Cu2Mn3, способствующей подавлению процессов возврата и рекристаллизации. Для сплавов, содержащих Sc, Hf и Zr для выделения наночастиц Al3(ScHfZr) так же необходим предварительный нагрев 4500С (или двухступенчатый 370 0С 4 ч + 450 0С 8 ч), кроме того, в ходе такой обработки происходит выделение Al20Cu2Mn3. Стоит отметить, что в сплавах, содержащих магний, слишком высокая температура гомогенизации, например 500 0С, будет способствовать выделению Al2CuMg, поэтому ее следует избегать. Необходимо отметить, что частицы Al3(ScHfZr) дают хороший упрочняющий эффект, что подтверждается ростом микротвердости, однако в исследуемых концентрациях они не приводят к образованию первичных интерметаллидов и измельчению зерна. Поэтому в следующем году будут исследованы концентрации, способные к измельчению литой структуры. По итогам работ принято в печать две статьи в журналы, индексируемые в RSCI, ВАК и РИНЦ. На 2025 год запланированы исследования эволюции микроструктуры при последующей термомеханической обработке.

Публикации

1. Арышенский Е.В., Левагина А.А, Черкасов С.О., Алексеева Е.А., Коновалов С.В. Исследования формирования микроструктуры и механических свойств при прокатке новых сплавов системы АЛТЕК Горячие точки химии твердого тела: ориентированные фундаментальные исследования [Электронный ресурс] : IV Междунар. конф., посвящ. 80-летию Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (2–4 июля 2024 г., Новосибирск, Академгородок) : тез. докл. / Ин-т химии тв. тела и механохимии СО РАН ; [отв. ред. Т. П. Шахтшнейдер ]. – Новосибирск, С.172 (год публикации - 2024)

2. Арышенский Е.В., Левагина А.А., Коновалов С.В., Черкасов С.О. Изучение механических и электрических свойств термостойкого сплава системы АЛТЭК Сборник тезисов XI Международный Аэрокосмический Конгресс. 28-31 августа 2024 г. М.: Издательство «Перо», С. 84-85 (год публикации - 2024)

3. Арышенский Е.В., Левагина А.А., Черкасов С.О., Коновалов С.В. Изучение формирования механических свойств при производстве электротехнической фольги из новых сплавов системы АЛТЭК Сборник тезисов XII Международного конгресса "Цветные металлы и минералы"/ 9-13 сентября 2024. -Красноярск, С. 503 -509. (год публикации - 2024)

4. Полегешко С.А., Левагина А.А., Арышенский Е.В., Коновалов С.В. Изучение особенностей волочения алюминиевой проволоки из сплава системы Al-Mn-Cu XXIV Международная научно-практическая конференция «Металлургия: технологии, инновации, качество» «Металлургия - 2024» / 15-17 октября 2024. – Новокузнецк., С.100-101 (год публикации - 2024)

5. Левагина А.А., Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Дриц А.М., Тептерев М.С. Исследования формирования микроструктуры и свойств при производстве ленты из сплава Al-2Cu-2Mn Ползуновский вестник (год публикации - 2025)

6. Левагина А.А., Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Н.О. Короткова Н.О., Тептерев М.С., Борминский С.А. Механические и электрические свойства электротехнической фольги из сплава АЛТЭК для обмоток трансформатора Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение (год публикации - 2025)

7. Коновалов С.В., Арышенский Е.В., Левагина А.А. Исследования формирования новых сплавов системы АЛТЕК для нужд электротехнической промышленности Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». Москва. 22-26 октября 2024 г. Сборник тезисов. – М: НИТУ МИСИС, С.28 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В текущем году были выполнены комплексные исследования влияния термомеханической обработки на сплавы систем Al-Cu-Mn-Mg, Al-Cu-Mn-Mg (Zr, Sc,Hf). Для системы Al-Cu-Mn-Mg изменения свойств и эволюция микроструктуры изучалась на примере проволоки и листов с разными степенями обжатия из сплавов 2Cu2Mn0.2Mg, 2Cu2Mn0.5Mg, 2Cu2Mn1Mg, 2Cu2Mn1.5Mg. Выявлены оптимальные химические концентрации магния, параметры термомеханической обработки, приведены рекомендации для проведения гомогенизационного отжига. Изучен фазовый состав, влияние термомеханической обработки на формирование микроструктуры, механических и электрических свойств. Изучено влияние магния на микроструктуру и свойства сплавов АЛТЭК, подвергнутых различным схемам деформационной обработки. Изучено влияние магния на формирование свойств и микроструктуры при термодеформационной обработке. Изучение системы Al-Cu-Mn-Mg (Zr, Sc, Hf) началось с исследования влияния переходных металлов на зеренную структуру. Была выявлена оптимальная концентрация химических элементов, фазовый состав сплавов в литом состоянии, исследована микроструктура. Следующим этапом изучения данной системы стало исследование листов, полученных из сплавов. Было изучено влияние гомогенизации и термомеханической обработки на микроструктуру и свойства сплавов, предложены режимы термодеформационной обработки, разработаны рекомендации к проведению гомогенизационного отжига. Исследовано влияние гомогенизационного отжига и деформационной обработки на конфигурацию частиц Al20Cu2Mn3 и их способность сдерживать процессы рекристаллизации. С использованием метода СЭМ были получены данные о конфигурации частиц Al2Cu, Al6Mn, Al3(Sc, Hf, Zr), Al2CuMg. Для частиц Al2Cu были получены сведения об изменении их конфигурации в процессе термомеханической обработки. Методом ПЭМ была изучена субзеренная структура после проведения холодной прокатки и заключительного отжига 400 0С на примере сплавов Al-Cu-Mn.

Публикации

1. Левагина А.А., Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Полегешко С.А., Макарова М.В. Влияние магния на удельную электропроводность и механические свойства проволоки из сплавов АЛТЭК Известия Самарского научного центра Российской академии наук (год публикации - 2026)

2. Коновалов С.В. , Арышенский Е.В., Левагина А.А. Study of the Formation of Microstructure and Properties in the Production of Tape from Homogenized Alloys ALTEK Сборник трудов XVII Международного Российско-Китайского Симпозиума “Новые материалы и технологии”. Под редакцией академика РАН К.А. Солнцева, академика РАН К.В. Григоровича, члена-корреспондента РАН В.С. Комлева. В 2-х томах. М.: Интерконтакт Наука, pp. 558-562 (год публикации - 2025)

3. Коновалов С.В., Арышенский Е.В., Левагина А.А. Влияние гомогенизационного отжига на механические свойства сплава 2Cu2Mn АЛТЭК Перспективные материалы и технологии: материалы международного симпозиума, Витебск, 25 - 29 августа 2025 г. / под. ред. Рубаника В.В. – Минск : ИВЦ Минфина, С. 83-85 (год публикации - 2025)

4. Левагина А. А., Арышенский Е. В., Коновалов С. В. The Influence of Homogenization Annealing on the Mechanical Properties and Specific Electrical Conductivity of ALTEK Alloys Inorganic Materials: Applied Research, Vol. 16, No. 6, pp. 1613–1619. (год публикации - 2025)
10.1134/S207511332570176X

5. Коновалов С.В. , Арышенский Е.В., Левагина А.А. Study of Microstructure and Physical-Mechanical Properties Formation During Al2Cu2Mn Alloy Wire Production by Sectional Rolling and Drawing Proceedings of the 11th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2025. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, Volume 2, pp 324–334 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-032-02558-6_32

6. Левагина А. А., Арышенский Е. В. , Коновалов С. В., Распосиенко Д. Ю. Исследование влияния добавок ZR, SC, HF в сплавах АЛТЭК на формирование микроструктуры при литье Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты) (год публикации - 2025)

7. Коновалов С.В., Левагина А.А., Арышенский Е.В., Распосиенко Д.Ю., Цзян Ф. Влияние содержания Cu/Mn и режимов гомогенизации на микроструктуру и свойства ленты из сплавов АЛТЭК Physical mesomechanics (год публикации - 2026)

8. Полегешко С.А., Кульковец В.А., Коновалов С.В., Арышенский Е.В., Левагина А.А. Влияние добавки циркония на коэффициент теплопроводности сплава АЛТЭК Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 20 –21 мая 2025 г. Выпуск 29. Часть I. Естественные и технические науки ; Новокузнецк; Издательский центр СибГИУ, С.39-40 (год публикации - 2025)

9. Полегешко С.А., Левагина А.А., Кульковец В.А., Коновалов С.В., Арышенский Е.В. Изменение механических свойств сплавов группы АЛТЭК в зависимости от термомеханический обработки Высокие технологии в машиностроении: материалы XXII Всероссийской научнотехнической конференции с международным участием, 9–11 апреля 2025 г. / Самара: Самар. гос. техн. ун-т, С. 227-229 (год публикации - 2025)

10. Левагина А.А., Арышенский Е.В., Коновалов С.В. Исследование влияния добавок Zr, Sc, Hf в сплавах Al-Cu-Mn-Mg на формирование микроструктуры при литье Физика и технология перспективных материалов – 2025: сборник трудов Международной конференции (г. Уфа, 6–10 октября 2025 г. / отв. ред. А.А. Назаров [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа: Уфимский университет, C. 203-205 (год публикации - 2025)

11. Левагина А.А., Арышенский Е.В., Коновалов С.В. Влияние добавки магния на удельную электропроводность сплавов АЛТЭК Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2025. [Электронный ресурс]: тезисы докладов XII Международной молодежной научной конференции, Екатеринбург, 19–23 мая 2025 г., С. 498-499 (год публикации - 2025)

12. Коновалов С. В., Арышенский Е. В., Левагина А. А. Влияние добавки магния на механические свойства сплава АЛТЭК Труды 67-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 31 марта –5 апреля 2025 г. Электроника, фотоника и молекулярная физика. — М: Физматкнига, С. 97-99 (год публикации - 2025)

13. Полегешко С.А., Левагина А.А., Коновалов С.В., ВЛИЯНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАЗМЕР ЗЕРНА В СПЛАВАХ ГРУППЫ АЛТЭК XIII ИННОВАЦИОННЫЙ КОНВЕНТ "КУЗБАСС: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ИННОВАЦИИ", ПОСВЯЩЕННЫЙ 80-Й ГОДОВЩИНЕ ПОБЕДЫ В ВЕЛИКОЙ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ВОЙНЕ 1941-1945 ГОДОВ / Сборник тезисов докладов. В 2-х частях. Кемерово, С. 395-396 (год публикации - 2025)