НИТУ МИСИС, Москва, Россия

Е. А. Наумова, доцент кафедры обработки металлов давлением (ОМД), канд. техн. наук, эл. почта: jan73@mail.ru
В. В. Дорошенко, инженер кафедры ОМД, канд. техн. наук
Н. О. Короткова, научный сотрудник кафедры ОМД, канд. техн. наук
А. И. Хабибулина, магистрант кафедры ОМД

При помощи термодинамических расчетов с использованием программного обеспечения Thermo-Calc (база данных TTAL5) и экспериментальных методов изучена фазовая диаграмма системы Al – Ca – Fe в области, богатой алюминием, включая построение проекции ликвидуса и предполагаемого распределения фаз в твердом состоянии. Исследованы четыре заэвтектических сплава системы Al – Ca – Fe. Структуру изучали с применением оптической (OM, Axiovert 200 MAT) и сканирующей электронной (СЭM, TESCAN VEGA 3) микроскопии, оснащенной электронным микрозондовым анализатором (EMPA, Oxford Instruments, Aztec software). Показано, что вместо фазы Al₃Fe в равновесии с твердым раствором алюминия (Al) в области Al – Ca-сплавов должно находиться тройное соединение, состав которого соответствует формуле Al₁₀CaFe₂. Наличие этого соединения, а также тип и периоды его кристаллической решетки определили при помощи рентгенофазового анализа. Переход от двойного к тройному соединению происходит в процессе перитектического превращения L + Al₃Fe → (Al) + Al₁₀CaFe₂ (при 638 ^oC, 3,3 % (ат.) Ca и 0,5 % (ат.) Fe). Температуру нонвариантного перитектического превращения уточнили в процессе оригинального закалочного эксперимента, который заключался в выдержке экспериментального сплава Al – 4 % Ca – 3 % Fe в течение 3 ч при температурах выше 647 ^oC и ниже 623 ^oC в жидкотвердом состоянии и последующей его закалке в воде. Первичные и эвтектические кристаллы этого соединения имеют компактную морфологию, в отличие от игольчатых включений фазы Al₃Fe. Они входят в состав дисперсной эвтектики, поэтому сплавы, по составу близкие к точке тройной эвтектики, можно рассматривать как перспективные литейные композиции.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 20-19-00746-П.

1. Belov N. A., Akopyan T. K., Naumova E. A. Calcium-containing aluminum alloys. Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys. 1^st edition. — London : CRC Press, Taylor & Francis Group, 2018. 1232 p.
2. Glazoff M., Khvan A., Zolotorevsky V., Belov N. et al. Casting aluminum alloys. Their physical and mechanical metallurgy. 2^nd edition. — London : Elsevier, 2018. 562 p.
3. Naumova E., Doroshenko V., Barykin M., Sviridova T. et al. Hypereutectic Al – Ca – Mn – (Ni) alloys as natural eutectic composites. Metals. 2021. Vol. 11. 890.
4. Belov N. A., Akopyan T. K., Korotkova N. O., Naumova E. A. Structure and Properties of Al – Ca(Fe, Si, Zr, Sc) wire alloy manufactured from Ascast billet. JOM. 2020. Vol. 72, Iss. 11. pp. 3760–3768.
5. Belov N. A., Naumova E. A., Doroshenko V. V., Korotkova N. O., Avxentieva N. N. Determination of the peritectic reaction parameters in the Al – Ca – Mn system in the region rich in aluminum. The Physics of Metals and Metallography. 2022. Vol. 123, Iss. 8. pp. 759–767.
6. Shurkin P. K., Letyagin N. V., Akopyan T. K., Yakushkova A. I. et al. Remarkable thermal stability of the Al – Ca – Ni – Mn alloy manufactured by laser-powder bed fusion. Materials Letters. 2021. Vol. 285. 129074.
7. Mondolfo L. F. Aluminium alloys structure and properties. — London : Butterworths, 1976. 982 p.
8. Ozturk K., Chen L. Q., Liu Z.-K. Thermodynamic assessment of the Al – Ca binary system using random solution and associate models. Journal of Alloys and Compounds. 2002. Vol. 340. pp. 199–206.
9. Belov N. A., Doroshenko V. V., Naumova E. A., Ilyukhin V. D. Structure and mechanical properties of Al – 6% Ca – 1% Fe alloy foundry goods, obtained by die casting. Tsvetnye Metally. 2017. No. 3. pp. 69–75.
10. Zhu L., Soto-Medina S., Cuadrado-Castillo W., Hennig R. G. et al. New experimental studies on the phase diagram of the Al – Cu – Fe quasicrystalforming system. Materials & Design. 2019. Vol. 185. 108186.
11. Zhu L., Soto-Medina S., Hennig R. G., Manuel M. V. Experimental investigation of the Al – Co – Fe phase diagram over the whole composition range. Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 815. 152110.
12. Lippmann S., Kemsies R. H., Schick M., Milkereit B. et al. Synthesis of pure intermetallic phases on the example of the ternary phase τ1 in the system Al – Fe – Ni. Intermetallics. 2019. Vol. 105. pp. 107–112.
13. Gorny A., Manickaraj J., Cai Zh., Shankar S. Evolution of Fe based intermetallic phases in Al – Si hypoeutectic casting alloys: Influence of the Si and Fe concentrations, and solidification rate. Journal of Alloys and Compounds. 2013. Vol. 577. pp. 103–124.
14. Nouri Z., Taghiabadi R. Tribological properties improvement of conventionally-cast Al – 8,5 Fe – 1,3 V – 1,7 Si alloy by multi-pass friction stir processing. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2021. Vol. 31. pp. 1262–1275.
15. Shabestari S. G. The effect of iron and manganese on the formation of intermetallic compounds in aluminum-silicon alloys. Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 383, Iss. 2. pp. 289–298.
16. Kuchariková L., Tillová E., Bokuvka O. Recycling and properties of recycled aluminium alloys used in the transportation industry. Transport Problems. 2016. Vol. 11, Iss. 2. pp. 117–122.
17. Uttarasak K., Chongchitnan W., Matsuda K., Chairuangsri T. et al. Evolution of Fe-containing intermetallic phases and abnormal grain growth in 6063 aluminum alloy during homogenization. Results in Physics. 2019. Vol. 15. 102535.
18. Belov N. A., Naumova E. A., Akopyan T. K., Doroshenko V. V. Phase diagram of the Al – Ca – Fe – Si system and its application for the design of aluminum matrix composites. JOM. 2018. Vol. 70, Iss. 11. pp. 2710–2715.
19. Shelekhov E. V., Sviridova T. A. Programs for X-ray analysis of polycrystals. Metal Science and Heat Treatment. 2000. Vol. 42. pp. 309–313.
20. Thermo-Calc Software TTAL5 Al-Alloys. URL: www.thermocalc.com (accessed 17.05.2022)
21. Zhang X., Wang D., Zhou Y., Chong X. et al. Exploring crystal structures, stability and mechanical properties of Fe, Mn-containing intermetallics in Al – Si alloy by experiments and first-principles calculations. Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 876. 160022.
22. Marker M. C. J., Skolyszewska-Kuhberger B., Effenberger H. S., Schmetterer C. et al. Phase equilibria and structural investigations in the system Al – Fe – Si. Intermetallics. 2011. Vol. 19, Iss. 12. pp. 1919–1929.
23. Engin S. Microstructure and mechanical properties of AlCuFe eutectic alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2020. Vol. 30. pp. 3183–3194.
24. Bian Z., Liu Y., Dai S., Chen Zh. et al. Regulating microstructures and mechanical properties of Al – Fe – Ni alloys. Progress in Natural Science Materials International. 2020. Vol. 30, Iss. 1. pp. 54–62.