Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия

Н. И. Кахидзе, младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии, эл. почта: kakhidze.n@yandex.ru
В. Д. Мирошкина, студент физико-технического факультета, эл. почта: Mir.vika28.11@gmail.com
А. П. Хрусталёв, старший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: tofik0014@gmail.com
А. Б. Ворожцов, исполняющий обязанности проректора по научной и инновационной деятельности, профессор, докт. физ.-мат. наук, эл. почта: abv@mail.tomsknet.ru

Современному производству требуются легкие и высокопрочные материалы для увеличения надежности, снижения массы и топливопотребления средств передвижения. Ведется поиск подходов по упрочнению алюминиевых сплавов, обладающих кратно меньшей плотностью по сравнению со сталью и чугуном. Известны подходы по дисперсному упрочнению алюминиевых сплавов тугоплавкими частицами, что может обеспечить одновременное повышение прочности и пластичности. В качестве упрочняющих частиц перспективно использование фторида эрбия, обеспечивающего увеличение плотности дислокаций в сплаве, а также для оптимизации технологического процесса получения высокопрочных алюминиевых сплавов. Выполнено исследование влияния субмикрочастиц ErF3 на микроструктуру и механические свойства сплава АК9. Изучены лигатура Al – ErF3, необходимая для введения частиц в расплав, и состав, структура и свойства полученных сплавов в литом и термообработанном состоянии. Определено, что модифицирующий эффект частиц ErF3 на структуру силуминов реализован по механизму сдерживания фронта кристаллизации и реализуется в измельчении зеренной структуры, в снижении образования кластеров железистых фаз и эвтектического пластинчатого кремния. Установлено, что добавка 1 % (мас.) ErF3 в сплав АК9 на стадии литья приводит к повышению однородности микроструктуры и измельчению среднего размера зерна α-Al на 21 %. Влияние ErF3 на деформационное поведение сплава АК9 различно в зависимости от структурного состояния сплава. Введение в сплав АК9 1 % ErF3 способствует повышению значений предела текучести на 14 и 36 %, предела прочности на 16 и 34 % и максимальных деформаций на 40 и 72 % в стадии литья и термической обработки соответственно. Отмечено, что рост прочностных свойств сплава сочетается с негативным влиянием агломератов частиц и их кластеров. Представленные в работе результаты свидетельствуют о перспективности добавки частиц ErF3 в алюминиевые сплавы, и предложены мероприятия по усовершенствованию технологии изготовления сплавов для повышения упрочняющего эффекта частиц.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания № FSWM-2020-0028.
Исследования методами сканирующей электронной и оптической микроскопии и измерения твердости и прочностных свойств при растяжении полученных сплавов выполнены на оборудовании Томского регионального центра коллективного пользования Национального исследовательского Томского государственного университета. Центр поддержан грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-15-2021-693 (№ 13.ЦКП.21.0012).

1. Zakharov V. V. Effect of scandium on the structure and properties of aluminum alloys. Metal Science and Heat Treatment. 2003. Vol. 45. pp. 246–253. DOI: 10.1023/A:1027368032062
2. Hansen N. Hall–Petch relation a nd boundary strengthening. Scripta Materialia. 2004. Vol. 51. pp. 801–806. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.06.002
3. Zhang Z., Chen D. L. Contribution of Orowan strengthening effect in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites. Materials Science and Engineering: A. 2008. Vol. 483. pp. 148–152. DOI: 10.1016/j.msea.2006.10.184
4. Buranova Y. et al. Al3(Sc, Zr)-bas ed precipitates in Al – Mg alloy: Effect of severe deformation. Acta Materialia. 2017. Vol. 124. pp. 210–224. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.10.064
5. Sitdikov O. et al. Effect of temperature of isothermal multidirectional forging on microstructure development in the Al – Mg alloy with nano-size aluminides of Sc and Zr. Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 746. pp. 520–531. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.02.277
6. Malopheyev S. et al. Friction-stir welding of an Al – Mg – Sc – Zr alloy in as-fabricated and work-hardened conditions. Materials Science and Engineering: A. 2014. Vol. 600. pp. 159–170. DOI: 10.1016/j.msea.2014.02.018
7. Xu C. et al. The synergic effects of Sc and Zr on the microstructure and mechanical properties of Al – Si – Mg alloy. Materials & Design. 2015. Vol. 88. pp. 485–492. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.09.045
8. Zhang W. et al. Effects of Sc content on the m icrostructure of as-cast Al –7 wt. % Si alloys. Materials Characterization. 2012. Vol. 66. pp. 104–110. DOI: 10.1016/j.matchar.2011.11.005
9. Kim M., Hong Y., Cho H. The effects of Sc on the microstructure and mechanical properties of hypo-eutectic Al – Si alloys. Metals and Materials International. 2004. Vol. 10. pp. 513–520. DOI: 10.1007/BF03027412
10. Muhammad A. et al. High strength aluminum cast a lloy: A Sc modification of a standard Al – Si – Mg cast alloy. Materials Science and Engineering: A. 2014. Vol. 604. pp. 122–126. DOI: 10.1016/j.msea.2014.03.005
11. Pramod S. L. et al. Effect of Sc addition and T6 aging treatment on the microstructure modification and mechanical properties of A356 alloy. Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 674. pp. 438–450. DOI: 10.1016/j.msea.2016.08.022
12. Xu C. et al. Optimizing strength and ductility of Al – 7 Si – 0.4 Mg foundry alloy: role of Cu and Sc addition. Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 810. 151944. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.151944

13. Qian H. et al. Effects of Zr additive on microstructure, mechanical properties, and fractography of Al – Si alloy. Metals. 2018. Vol. 8, No. 2. 124. DOI: 10.3390/met8020124
14. Czerwinski F. Cerium in aluminum alloys. Journal of Materials Science. 2020. Vol. 55, No. 1. pp. 24–72. DOI: 10.1007/s10853-019-03892-z
15. Ahmad R., Asmael M. B. A. Influence of lanthanum on so lidification, microstructure, and mechanical properties of eutectic Al – Si piston alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2016. Vol. 25. pp. 2799–2813. DOI: 10.1007/s11665-016-2139-8
16. Mao G. et al. The effects of Y on primary α-Al and prec ipitation of hypoeutectic Al – Si alloy. Materials Letters. 2020. Vol. 271. 127795. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.127795
17. Jia K. et al. Al – 9.00 % Si – 0.25% Mg alloys modified by ytterbium. Rare Metals. 2017. Vol. 36. pp. 95–100. DOI: 10.1007/s12598-014-0378-0
18. Voron M. M., Von Pruss M. A., Biba O. E. Micro-alloying and modification of cast aluminum alloys to increase their performance properties at higher temperatures. Review. Metal and Casting of Ukraine. 2021. No. 3. pp. 61–68.
19. Kosov Ya. I., Bazhin V. Yu. Synthesis of the aluminum-erbium alloy combination from chloride-fluoride melts. Rasplavy. 2018. No. 1. pp. 14–28. DOI: 10.7868/S0235010618010024
20. Mao G. et al. The varied mechanisms of yttrium (Y) modifying a hypoeutectic Al – Si alloy under conditions of different cooling rates. Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 806. pp. 909–916. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.07.107
21. Pozdniakov A. V. et al. Effect of impurities of Fe and Si on th e structure and strengthening upon annealing of the Al – 0.2% Zr – 0.1% Sc alloys with and without Y additive. Physics of Metals and Metallography. 2017. Vol. 118. pp. 479–484. DOI: 10.1134/S0031918X17050118
22. Tunçay T. et al. The effects of Cr and Zr additives on the microstructure and mechanical properties of A356 alloy. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2020. Vol. 73. pp. 1273–1285. DOI: 10.1007/s12666-020-01970-4
23. Pandee P., Sankanit P., Uthaisangsuk V. Structure-mechanical property relationships of in-situ A356/Al3Zr composites. Materials Science and Engineering: A. 2023. Vol. 866. 144673. DOI: 10.1016/j.msea.2023.144673
24. Lin S., Nie Z., Huang H., Li B. Annealing behavior of a modified 5083 aluminum alloy. Materials & Design. 2010. Vol. 31. pp. 1607–1612. DOI: 10.1016/j.matdes.2009.09.004
25. Hu X. et al. Effects of rare earth Er additions on microstructure development and mechanical properties of die-cast ADC12 aluminum alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2012. Vol. 538. pp. 21–27. DOI: 10.1016/j.jallcom.2012.05.089
26. Gariboldi E., Colombo M. Characterization of innovative Al – Si – Mg-b ased alloys for high temperature applications. Key Engineering Materials. 2016. Vol. 710. pp. 53–58. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.710.53
27. Shi Z. M. et al. Effects of erbium modification on the microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloys. Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 626. pp. 102–107. DOI: 10.1016/j.msea.2014.12.062
28. Colombo M., Gariboldi E., Morri A. Er addition to Al – Si – Mg-based casting alloy: Effects on microstructure, room and high temperature mechanical properties. Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 708. pp. 1234–1244. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.03.076
29. Mathur V., Patel G. C. M., Shettigar A. K. Reinforcement of titanium dioxide nanopa rticles in aluminum alloy AA5052 through friction stir process. Advances in Materials and Processing Technologies. 2019. Vol. 5, No. 2. pp. 329–337. DOI: 10.1080/2374068X.2019.1585072
30. Lekatou A. et al. Aluminium reinforced by WC and TiC nanoparticles (ex-situ) and aluminide particles (in-situ): Microstructure, wear and corrosion behaviour. Materials & Design. 2015. Vol. 65. pp. 1121–1135. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.08.040
31. Mousavian R. T. et al. Fabrication of aluminum matrix composites reinforced with na no-to micrometer-sized SiC particles. Materials & Design. 2016. Vol. 89. pp. 58–70. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.09.130
32. Vorozhtsov S. et al. The influence of ScF3 nanoparticles on the physical and mechani cal properties of new metal matrix composites based on A356 aluminum alloy. JOM. 2016. Vol. 68. pp. 3101–3106. DOI: 10.1007/s11837-016-2141-5
33. Ko J. M. et al. Nonisomorphic ErF3 layers on Si (111) substrates grown by molecular b eam epitaxy. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2000. Vol. 18. pp. 922–926. DOI: 10.1116/1.582276
34. Khrustalyov A. P. et al. Effect of Al3Er particles on the structure, mechanical proper ties, and fracture of AA5056 alloy after casting and deformation treatment. JOM. 2021. Vol. 73. pp. 3858–3865. DOI: 10.1007/s11837-021-04940-3
35. Singh Y. Rare earth element resources: Indian context. UK : Springer, 2020. 388 p. DOI: 10.1007/978-3-030-41353-8
36. Vorozhtsov A. B., Dammer V. Kh., Arkhipov V. A. et al. Device for mixing light metal me lts with micropowders of refractory particles and fibers. Patent RF, No. 2758953. Applied: 10.03.2021. Published: 03.11.2021.
37. Vorozhtsov A. B., Arkhipov V. A., Dammer V. Kh. et al. Molding method into chill mold for production of flat castings from aluminum and magnesium alloys. Patent RF, No. 2720331. Applied: 15.11.2019. Published: 28.04.2020.
38. Khrustalyov A. P. et al. Influence of titanium diboride particle size on structure and mechanical properties of an Al – Mg alloy. Metals. 2019. Vol. 9, No. 10. 1030. DOI: 10.3390/met9101030
39. Wang E. R. et al. Improved mechanical properties in cast Al-Si alloys by combined alloyin g of Fe and Cu. Materials Science and Engineering: A. 2010. Vol. 527. pp. 7878–7884. DOI: 10.1016/j.msea.2010.08.058
40. Khan M. H. et al. Effects of Fe, Mn, chemical grain refinement and cooling rate on the evo lution of Fe intermetallics in a model 6082 Al-alloy. Intermetallics. 2021. Vol. 132. 107132. DOI: 10.1016/j.intermet.2021.107132
41. Liu B. et al. Morphologies and сompositions of α-Al15Fe3Si2-type intermetallics in Al – Si – Fe – Mn – Cr alloys. International Journal of Metalcasting. 2022. Vol. 17. pp. 1156–1164. DOI: 10.1007/s40962-022-00843-4
42. Khrustalyov A. P. et al. Study of the effect of diamond nanoparticles on the structure and mechanica l properties of the medical Mg – Ca – Zn magnesium alloy. Metals. 2022. Vol. 12. 206. DOI: 10.3390/met12020206
43. Shaha S. K. et al. Effect of Cr, Ti, V, and Zr micro-additions on microstructure and mechanical properties of the Al – Si – Cu – Mg cast alloy. Metallurgical and Materials Transactions: A. 2016. Vol. 47. pp. 2396–2409. DOI: 10.1007/s11661-016-3365-2
44. Mavlyutov M. A. Influence of a microstructure on electrical conductivity and strength of aluminum alloys after severe plastic deformation: thesis. … of Candidate of Physical and Mathematical Sciences. Saint Petersburg : Saint Petersburg National Research University of Information Technology, Mechanics and Optics, 2018. 146 p.
45. Immanuel R. J., Panigrahi S. K. Influence of cryorolling on microstructure and mechanical properties of a cast hypoeutectic Al – Si alloy. Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 640. pp. 424–435. DOI: 10.1016/j.msea.2015.06.019