Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия¹ ; Самарский университет, Самара, Россия²

С. В. Коновалов, проректор по научной и инновационной деятельности¹, главный научный сотрудник ОНИЛ № 4² , докт. техн. наук, профессор, эл. почта: konovalov@sibsiu.ru

Е. В. Арышенский, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений¹, ведущий научный сотрудник ОНИЛ № 4², докт. техн. наук, доцент, эл. почта: ar-evgenii@yandex.ru

АО «СМЗ, Самара, Россия

М. А. Лапшов, ведущий инженер-конструктор, эл. почта: Maksim.Lapshov@samara-metallurrg.ru

Самарский университет, Самара, Россия
А. М. Дриц, ведущий научный сотрудник ОНИЛ № 4, канд. техн. наук, эл. почта: dritsam@gmail.com

Изучены особенности формирования частиц (AlSi)₃ScZr, выделяющихся в сплавах системы Al – Mg – Si с избытком кремния при остывании после литья. Показано влияние наночастиц на прочностные свойства в литом состоянии. Продемонстрирован эффект влияния искусственного старения на уровень механических свойств в исследуемых сплавах. Изучены шесть сплавов системы Al – Mg – Si с различным соотношением Mg:Si с добавками скандия и циркония и без них. Для всех сплавов в литом состоянии определяли микротвердость и механические свойства. Для исследования распада пересыщенного твердого раствора образцы из сплавов, содержащих скандий и цирконий, подвергнуты отжигу в температурном диапазоне 360–550 oC при выдержке, варьирующейся от 10 с до 50 ч. Для сплавов с соотношением Mg:Si = 0,6 методами оптической микроскопии исследована зеренная структура. Кроме того, для сплава 0,6MgSi0,3Sc0,15Zr проведены исследования наночастиц методом просвечивающей микроскопии. Для сплавов 0,3MgSi0,3Sc0,15Zr и 0,5MgSi0,3Sc0,15Zr данные о размерах зеренной структуры и наночастицах взяты из предыдущих исследований. Согласно полученным результатам, пересыщенный скандием, цирконием, кремнием и магнием твердый раствор в исследуемых сплавах распадается чрезвычайно быстро. Основной причиной является совместное влияние скандия и кремния. Из-за быстрого распада пересыщенного твердого раствора при остывании после литья формируется большое число частиц (AlSi)3ScZr. Основной механизм их возникновения —прерывистый распад пересыщенного твердого раствора, о чем свидетельствуют наличие веерообразных частиц. Частицы, обнаруженные в сплаве 0,6MgSi0,3Sc0,15Zr, сохраняют структуру L12, а также частично когерентны алюминиевой матрице и содержат кремний и скандий. Их морфология, размеры и химический состав исключают принадлежность к фазе Sc₂Si₂Al. Тем не менее они имеют достаточно сильное влияние на механические свойства: в сплаве 0,6MgSi0,3Sc0,15Zr предел текучести возрастает на 43 МПа, а предел прочности — на 61 МПа. У сплавов 0,3MgSi0,3Sc0,15Zr и 0,5MgSi0,3Sc0,15Zr прочностные свойства также повышаются, что обусловлено веерообразными полукогерентными и округлыми полностью когерентными частицами (AlSi)3ScZr, обнаруженными в предыдущих исследованиях в литом состоянии. Установлено, что в сплавах 0,3MgSi0,3Sc0,15Zr и 0,5MgSi0,3Sc0,15Zr предел текучести повышается на 32 и 67 МПа, а предел прочности — на 67 и 78 МПа соответственно. При искусственном старении микротвердость может как возрастать, так и снижаться. Наиболее сильное влияние на микротвердость при искусственном старении оказывают величина зеренной структуры: чем больше размер зерна, тем выше микротвердость после искусственного старения литого материала.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-19-00548 https://rscf.ru/project/21-19-00548/

1. Savchenkov S., Kosov Y., Bazhin V., Krylov K. et al. Microstructural master alloys features of aluminum–erbium system. Crystals. 2021. Vol. 11, Iss. 11. 1353.
2. Alattar A. L., Bazhin V. Y. Development properties of aluminum matrix composites reinforced by particles of boron carbide. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2021. Vol. 1990, Iss. 1. 012018.
3. Bazhin V. Y., Gutema E. M., Savchenkov S. A. Production technology features for aluminum matrix alloys with a silicon carbide framework. Metallurgist. 2017. Vol. 60, Iss. 11. pp. 1267–1272.
4. Akopyan T. K., Belov N. A., Letyagin N. V., Milovich F. O. et al. Influence of indium trace addition on the microstructure and precipitation hardening response in Al – Si – Cu casting aluminum alloy. Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 831. 142329.
5. Hirsch J. Aluminium in innovative light-weight car design. Materials Transactions. 2011. Vol. 52, No. 5. pp. 818–824.
6. Deev V. B., Ri E. K., Prusov E. S., Ermakov M. A. et al. Influence of parameters of melt processing by nanosecond electromagnetic pulses on the structure formation of cast aluminum matrix composites. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2022. Vol. 63, Iss. 4. pp. 392–399.
7. Deev V. B., Ri E. H., Prusov E. S., Ermakov M. A. et al. Grain refinement of casting aluminum alloys of the Al – Mg – Si system by processing the liquid phase using nanosecond electromagnetic pulses. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2021. Vol. 62, Iss. 5. pp. 522–530.
8. Niranjani V. L., Kumar K. C. H., Sarma V. S. Development of high strength Al – Mg – Si AA6061 alloy through cold rolling and ageing. Materials Science and Engineering: A. 2009. Vol. 515, Iss. 1-2. pp. 169–174.
9. Polmear I. Light alloys: from traditional alloys to nanocrystals. Elsevier, 2005. 416 p.
10. Edwards G. A., Stiller K., Dunlop G. L., Couper M. J. The precipitation sequence in Al – Mg – Si alloys. Acta Materialia. 1998. Vol. 46, Iss. 11. pp. 3893–3904.
11. Matsuda K., Ikeno S., Terayama K., Matsui H. et al. Comparison of precipitates between excess Si-type and balanced-type Al – Mg – Si alloys during continuous heating. Metallurgical and Materials Transactions A. 2005. Vol. 36, Iss. 8. pp. 2007–2012.
12. Kolachev B. A., Elagin V. I., Livanov V. A. Metal science and heat treatment of non-ferrous metals and alloys. Moscow : MISIS, 2005. 432 p.
13. Meyruey G. et al. Over-ageing of an Al – Mg – Si alloy with silicon excess. Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 730. pp. 92–105.
14. Dorin T., Ramajayam M., Vahid A., Langan T. Aluminium scandium alloys. Fundamentals of Aluminium Metallurgy. 2018. pp. 439–494.
15. Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys. International Materials Reviews. 2005. Vol. 50, Iss. 1. pp. 19–44.
16. Rokhlin L. L., Bochvar N. R., Dobatkina T. V. Combined effect of some transition metals on the change in the phase composition and recrystallization of aluminum. Tekhnologiya legkikh splavov. 2009. Vol. 2. pp. 20–27.
17. Babaniaris S., Ramajayam M., Jiang L., Langan T. et al. Developing an optimized homogenization process for Sc and Zr containing Al – Mg – Si alloys. Light Metals 2019. Springer, Cham, 2019. pp. 1445–1453.
18. Dorin T., Ramajayam M., Babaniaris S., Jiang, L. et al. Precipitation sequence in Al – Mg – Si – Sc – Zr alloys during isochronal aging. Materialia. 2019. Vol. 8. 100437.
19. Rokhlin L. L., Bochvar N. R., Tabachkova N. Yu., Sukhanov A. V. Effect of scandium on the kinetics and age hardening of AL-MG 2SI alloys. Tekhnologiya legkikh splavov. 2015. No. 2. pp. 53–62.
20. Babaniaris S., Ramajayam M., Jiang L., Langan T. et al. Tailored precipitation route for the effective utilisation of Sc and Zr in an Al – Mg – Si alloy. Materialia. 2020. Vol. 10. 100656.
21. Dorin T., Ramajayam M., Babaniaris S., Jiang, L. et al. Precipitation sequence in Al – Mg – Si – Sc – Zr alloys during isochronal aging. Materialia. 2019. Vol. 8. 100437.
22. Aryshenskii E., Lapshov M., Hirsch J., Konovalov S. et al. Influence of the small SC and ZR additions on the as-cast microstructure of Al – Mg – Si alloys with excess silicon. Metals. 2021. Vol. 11, Iss. 11. 1797.
23. Aryshenskii E., Lapshov M., Konovalov S., Hirsch J. et al. The casting rate impact on the microstructure in Al – Mg – Si alloy with silicon excess and small Zr, Sc additives. Metals. 2021. Vol. 11, Iss. 12. 2056.
24. Blake N., Hopkins M. A. Constitution and age hardening of Al – Sc alloys. Journal of Materials Science. 1985. Vol. 20, Iss. 8. pp. 2861–2867.
25. Norman A. F., Prangnell P. B., McEwen R. S. The solidification behaviour of dilute aluminium–scandium alloys. Acta Materialia. 1998. Vol. 46, Iss. 16. pp. 5715–5732.
26. GOST 27333–87. Nondestructive testing. Measurement of electrical conductivity of non-ferrous metals by eddy current method. Introduced: 01.07.1988.
27. GOST 10006–80 (ISO 6892-84). Metal tubes. Tensile test method. Introduced: 01.07.1980.
28. GOST 1497–84. Metals. Methods of tension test. Introduced: 01.01.1986.
29. GOST 11150–84. Metals. Methods of tension tests at Iow temperatures. Introduced: 01.01.1986.
30. Yong D., Shuhong L., Baiyun H., Chang Y. A. et al. Thermodynamic description of the Al – Fe – Mg – Mn – Si system and investigation of microstructure and microsegregation during directional solidification of an Al – Fe – Mg – Mn – Si alloy. Zeitschrift für Metallkunde. 2005. Vol. 96. pp. 1351–1362.
31. Zakharov V. V. Stability of scandium solid solution in aluminum. Metal Science and Heat Treatment of Metals. 1997. Vol. 2. 15.