Университет науки и технологий МИСИС, Москва, Россия

Н. А. Белов, главный научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением (ОМД), докт. техн. наук,
профессор, эл. почта: nikolay-belov@yandex.ru
С. О. Черкасов, инженер научного проекта кафедры ОМД, эл. почта: cherkasov.so@misis.ru

А. И. Хабибуллина, инженер научного проекта кафедры ОМД, эл. почта: alinochka_khabibulina@mail.ru

Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия
М. М. Мотков, старший научный сотрудник кафедры электротехники и электротехнологии, канд. техн. наук,
эл. почта: mikhail145@mail.ru

С применением расчетных методов (программа Thermo-Calc) и экспериментальных подходов, таких как сканирующая электронная микроскопия, микроанализ и просвечивающая электронная микроскопия, проведено исследование изменения микроструктуры алюминиевого сплава системы Al – Zn – Mg – Ni – Fe – Zr – Sc, содержащего 7,4 % Zn, 2,8 % Mg, 1,3 % Ni, 0,9 % Fe, 0,2 % Zr и 0,1 % Sc. Сплав получили литьем в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК) по технологии ElmaCast™ на производственных мощностях ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» в виде литой прутковой заготовки диаметром 12 мм. Заготовки, вырезанные из литой продукции, прошли комплексную деформационно-термическую обработку, в результате чего получили различные полуфабрикаты, такие как полосы, прутки и проволоку. Горячекатаные полосы толщиной 2 мм изготовили на двухвалковом стане МИСИС, а холоднокатаные листы толщиной 1 мм формировали с использованием электромеханических валков ВЭМ 3М. Прутки диаметром 3,7 мм получили методом Конформ, а затем из них изготовили проволоку диаметром 1,3 мм с помощью калиброванной прокатки на ручных вальцах. Результаты показали, что литье по технологию ElmaCastTM (скорость кристаллизации более 1000 К/с) позволяет создать высокодисперсную литую структуру, при которой средний размер дендритной ячейки алюминиевой матрицы составляет около 5 мкм. Железо полностью входит в состав субмикронных эвтектических включений фазы Al9FeNi. Высокая однородность литой структуры заготовок ЭМК обеспечивает необходимую пластичность для деформирования, что делает возможным производство различных полуфабрикатов. В процессе деформации формируется структура, напоминающая композит, в которой глобулярные частицы фазы Al9FeNi субмикронного размера равномерно распределены в алюминиевой матрице. Оптимальное сочетание высокой твердости, достигаемой после закалки и старения, и сохраненной деформационной пластичности способствует значительному повышению механических свойств. Учитывая значительное присутствие эвтектической фазы в экспериментальном сплаве, можно сделать вывод о его возможном применении в аддитивных технологиях.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-19-00128 (https://rscf.ru/project/22-19-00128/).

1. ГОСТ 4784–2019. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. – Введ. 01.09.2019.
2. Polmear I., StJohn D., Nie J. F., Qian M. Physical metallurgy of aluminium alloys // Light Alloys. 5th ed. – London : Elsevier, 2017. P. 31–107.
3. Zhang M., Liu T., He C., Ding J., Liu E., Shi C., Li J., Zhao N. Evolution of microstructure and properties of Al – Zn – Mg – Cu – Sc – Zr alloy during aging treatment // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 658. P. 946–951.
4. Yang W., Ji S., Zhang Q., Wang M. Investigation of mechanical and corrosion properties of an Al – Zn – Mg – Cu alloy under various ageing conditions and interface analysis of η′ precipitate // Materials and Design. 2015. Vol. 85. P. 752–761.
5. Zhu Q., Cao L., Wu X., Zou Y., Couper M. J. Effect of Ag on age-hardening response of Al – Zn – Mg – Cu alloys // Materials Science and Engineering A. 2019. Vol. 754. P. 265–268.
6. Ghosh A., Ghosh M., Kalsar R. Influence of homogenization time on evolution of eutectic phases, dispersoid behaviour and crystallographic texture for Al – Zn – Mg – Cu – Ag alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 802. P. 276–289.
7. Ohira T., Kishi T. Effect of iron content on fracture toughness and cracking processes in high strength Al – Zn – Mg – Cu alloy // Materials Science and Engineering A. 1986. Vol. 78, Iss. 1. P. 9–19.
8. Добаткин В. И., Елагин В. И., Федоров В. М. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы. – М. : ВИЛС, 1995. – 341 с.
9. Авдулов А. А., Усынина Г. П., Сергеев Н. В., Гудков И. С. Отличительные особенности структуры и свойств длинномерных слитков малого сечения из алюминиевых сплавов, отлитых в электромагнитный кристаллизатор // Цветные металлы. 2017. № 7. С. 73–77.
10. Sidelnikov S. B., Voroshilov D. S., Motkov M. M., Timofeev V. N. et al. Investigation structure and properties of wire from the alloy of AL-REM system obtained with the application of casting in the electromagnetic mold, combined rolling-extruding, and drawing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 114. P. 2633–2649.
11. Пат. 2745520 РФ. Способ непрерывного литья слитка и плавильно-литейная установка для его осуществления / Тимофеев В. Н., Первухин М. В., Сергеев Н. В. и др.; заявл. 23.03.2020 ; опубл. 25.03.2021.
12. Короткова Н. О., Белов Н. А., Тимофеев В. Н., Мотков М. М., Черкасов С. О. Влияние режима термической обработки на структуру и свойства проводникового алюминиевого сплава Al – 7 % РЗМ, полученного литьем в электромагнитном кристаллизаторе // Физика металлов и металловедение. 2020. Т. 121. № 2. С. 200–206.
13. Belov N. A., Korotkova N. O., Akopyan T. K., Timofeev V. N. Structure and properties of Al – 0.6 % Zr – 0.4 % Fe – 0.4 % Si (wt%) wire alloy manufactured by electromagnetic casting // JOM. 2020. Vol. 72, Iss. 4. P. 1561–1570.
14. ГОСТ 11069–74. Алюминий первичный. Марки. – Введ. 01.01.1975.
15. ГОСТ 3640–79. Цинк. Технические условия. – Введ. 01.01.1980.
16. ГОСТ 804–93. Магний первичный в чушках. Технические условия. – Введ. 01.01.1997.
17. ГОСТ 2999–75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. – Введ. 01.07.1976.
18. ГОСТ 27333–87. Контроль неразрушающий. Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом. – Введ. 01.07.1988.
19. Белов Н. А. Экономнолегированные высокопрочные алюминиевые сплавы: Принципы оптимизации фазового состава // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. Т. 53. № 9-10. С. 420–427.
20. Akopyan T. K., Belov N. A. Approaches to the design of the new high-strength casting aluminum alloys of 7xxx series with high iron content // Non-ferrous Metals. 2016. No. 1. P. 20–27.
21. Акопян Т. К., Белов Н. А., Алабин А. Н., Злобин Г. С. Расчетно-экспериментальное исследование старения литейных высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al – Zn – Mg – (Cu) – Ni – Fe // Металлы. 2014. № 1. С. 70–76.

22. Belov N. A., Alabin A. N., Matveeva I. A. Optimization of phase composition of Al – Cu – Mn – Zr – Sc alloys for rolled products without requirement for solution treatment and quenching // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 583. P. 206–213.
23. Knipling K. E., Karnesky R. A., Lee C. P., Dunand D. C., Seidman D. N. Precipitation evolution in Al – 0.1 Sc, Al – 0.1 Zr and Al – 0.1 Sc – 0.1 Zr (at.%) alloys during isochronal aging // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. P. 5184–5195.
24. Mukherjee T., Zuback J. S., De A., DebRoy T. Printability of alloys for additive manufacturing // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. 9717.
25. Конкевич В. Ю., Тимофеев В. Н., Усынина Г. П., Белоцерковец В. В. Структурообразование при аддитивной наплавке WAAM и L-DED с использованием проволоки, полученной из слитков AlMg-сплавов с переходными металлами методом электромагнитной кристаллизации // Цветные металлы. 2023. № 7. С. 47–55.