¹Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия ; ²ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва, Россия.

Т. К. Акопян, научный сотрудник кафедры ОМД^{1, 2}, эл. почта: nemiroffandtor@yandex.ru

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

Н. В. Летягин, аспирант кафедры «Обработка металлов давлением» (ОМД), эл. почта: n.v.letyagin@gmail.com
В. В. Дорошенко, аспирант кафедры ОМД

Методом термодинамического расчета в программном обеспечении Thermo-Сalc изучена фазовая диаграмма Al – Ca – Ni – Сe – Fe – Zr – Sc. Для лабораторного анализа отобраны сплавы с оптимальной концентрацией кальция (4%), никеля (2%), церия (2%) и возможной концентрацией железа до 0,4%. В рассматриваемом диапазоне концентраций после кристаллизации первичных дендритов (Al) следует ожидать ряд многофазных эвтектических превращений. В частности, после двойной реакции L → (Al) + Al₉FeNi реализуются тройная L → (Al) + Al₃Ni + Al₉FeNi и четверная L → (Al) + Al₉FeNi + Al₃Ni + Al₄Ca реакции, а кристаллизация оканчивается пятифазной реакцией L → (Al) + Al₁₁Ce₃ + Al₃Ni + Al₄Ca + Al₉FeNi. Суммарная доля вторых фаз составляет не менее 25 % (мас.), что позволяет отнести рассматриваемый сплав к алюмоматричным композитам. Микроструктура в литом состоянии базового сплава Al₄Ca₂Ni₂Ce_0,4Fe и дополнительно легированных цирконием и скандием сплавов Al₄Ca₂Ni₂Ce_0,4Fe_0,4Zr и Al₄Ca₂Ni₂Ce_0,4Fe_0,2Zr_0,1Sc была исследована при помощи оптической и сканирующей электронной микроскопии, а также электронно-зондового анализа. Полученные результаты показали, что микроструктура рассматриваемых сплавов состоит из первичных кристаллов (Al) и дисперсных многофазных эвтектических колоний. Кальций, никель и церий концентрируются в эвтектике, а скандий и цирконий — в эвтектике и первичных кристаллах (Аl). Наличие циркония и скандия в (Al) в литом состоянии обеспечивает возможность дисперсионного упрочнения в результате распада твердого раствора и дальнейшего выделения когерентных наночастиц фазы L12 — Al₃(Zr, Sc) в процессе отжига. Этот процесс изучали измерением твердости при ступенчатом отжиге литых образцов. Максимальное значение твердости (HV) достигается после ступенчатого отжига по режиму 300 oC — 3 ч плюс 350 ^oC — 3 ч, в результате которого твердость сплава с 0,2 % Zr и 0,1 % Sc повышается более чем на 20 %.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-79-00345) (термодинамические расчеты, СЭМ, механические испытания), а также программы фундаментальных исследований президиума РАН 37П (синтез сплавов, ПЭМ).

1. 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 – 0.1Zr (at. %) alloys during isochronal ageing // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. P. 5184–5195.
2. Clouet E., Barbu A., Lae L., Martin G. Precipitation kinetics of Al₃Zr and Al₃Sc in aluminum alloys modeled with cluster dynamics // Acta Materialia. 2005. Vol. 53. P. 2313–2325.
3. Zhou W. W., Cai B., Li W. J., Liu Z. X., Yang S. Heatresistant Al – 0.2 Sc – 0.04 Zr electrical conductor // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 552. P. 353–358.
4. Booth-Morrison C., Mao Z., Diaz M., Dunand D. C., Wolverton C., Seidman D. N. Role of silicon in accelerating the nucleation of Al₃(Sc, Zr) precipitates in dilute Al – Sc – Zr alloys // Acta Materiala. 2012. Vol. 60, Iss. 12. P. 4740–4752.
5. Belov N. A., Naumova E. A., Akopyan T. K., Doroshenko V. V. Design of multicomponent alloys on the base of Al – Ca eutectics without requirement for quenching // Proceedings of the 16th International Aluminum Alloys Conference (ICAA16). 2018.
6. Ikeshita S., Strodahs A., Saghi Z. Hardness and microstructural variation of Al – Mg – Mn – Sc – Zr alloy // Micron. 2016. Vol. 82. P. 1–8.
7. Шуркин П. К., Акопян Т. К., Короткова Н. О., Цыденов А. Г., Финогеев А. С. Формирование структуры листового проката из сплава системы Al – Mn – Mg c добавкой 0,3 мас. % Zr, полученного на основе баночного лома состава сплава 3104 // Всероссийская научно-техническая конференция «Современные достижения в области металловедения, технологий литья, деформации, термической обработки и антикоррозионной защиты легких сплавов». 2017. P. 322–335.
8. Zolotorevskiy V. S., Belov N. A., Glazoff M. V. Casting aluminum alloys. — Elsevier : Amsterdam, 2007. — 544 p.
9. Belov N. A., Batyshev K. A., Doroshenko V. V. Microstructure and phase composition of the eutectic Al – Ca alloy, additionally alloyed with small additives of zirconium, scandium and manganese // Non-ferrous Metals. 2017. № 2. P. 49–54.
10. Belov N. A., Alabin A. N., Eskin D. G. Improving the Properties of Cold Rolled Al – 6 % Ni sheets by alloying and heat treatment // Scripta Materialia. 2004. Vol. 50, Iss. 1. P. 89–94.

11. Sims Z. C., Weiss D., McCall S. K., McGuire M. A., Ott R. T., Geer T., Rios O., Turchi P. A. E. Cerium-based, intermetallicstrengthened aluminum casting alloy: high-volume co-product development // Journal of the Minerals, Metals & Materials Society. 2016. Vol. 68. P. 1940–1947.
12. Sims Z. C., Rios O., McCall S. K., Van Buuren T., Ott R. T. Characterization of nearnet-shape castable rare earth modified aluminum alloys for high temperature application // Light Metals 2016 / еd. by Williams E. Springer, Cham. P. 111–114.
13. Cao Zujun, Kong Gang, Che Chunshan, Wang Yanqi, Peng Haotang. Experimental investigation of eutectic point in Al-rich Al – La, Al – Ce, Al – Pr and Al – Nd systems // Journal of rare earths. 2017. Vol. 35. P. 1022–1028.
14. Sims Z. C., Rios O. R., Turchi P. E. A. et al. High performance aluminum-cerium alloys for high-temperature applications // Materials Horizons. 2017. Vol. 4. P. 1070–1078.
15. Weiss D., Rios O., Sims Z., McCall S., Ott R. Casting Characteristics of High Cerium Content Aluminum Alloys // Light Metals 2017. The Minerals, Metals & Materials Series / Ratvik A. (eds). Springer, Cham. P. 205–211.
16. Belov N. A., Naumova E. A., Eskin D. G. Casting alloys of the Al – Ce – Ni System: Microstructural Approach to Alloy Design // Mater. Sci. Eng. A. 1999. Vol. 271. P. 134–142.
17. Goto Sh., Aso S., Komatsu Y., Белов Н. А., Золоторевский В. С. Прочность эвтектических сплавов системы Al – Ce – Ni // Известия вузов. Цветная металлургия. 2005. № 5. P. 40–47.
18. Kaufman J. G., Rooy E. L. Aluminum alloy castings: properties, processes, and applications. — Ohio : ASM International, 2004. — 321 p.
19. Belov N. A., Akopyan T. K., Mishurov S. S., Korotkova N. O. Effect of Fe and Si on the microstructure and phase composition of the aluminum-calcium eutectic alloys // Non-ferrous Metals. 2017. № 2. P. 37–42.
20. Belov N. A., Naumova E. A., Alabin A. N., Matveeva I. A. Effect of scandium on structure and hardening of Al – Ca eutectic alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 646. P. 741–747.
21. Белов Н. А., Наумова Е. А., Акопян Т. К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. — М. : Руда и Металлы, 2016. — 256 с.
22. Tian L., Kim H., Anderson I., Russell A. The microstructurestrength relationship in a deformation processed Al – Ca composite // Materials Science and Engineering: A. 2013. Vol. 570. P. 106–113.
23. Belov N. A., Naumova E. A., Doroshenko V. V., Avxentieva N. N. Combined Effect of Calcium and Silicon on the Phase Composition and Structure of Al – 10 % Mg Alloy // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018. Vol. 59, No. 1. P. 67–75.
24. Belov N. A., Naumova E. A., Akopyan T. K., Doroshenko V. V. Design of multicomponent aluminium alloy containing 2 wt% Ca and 0.1 wt% Sc for cast products // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 762. P. 528–536.
25. Chaubey A. K., Scudino S., Mukhopadhyay N. K., Khoshkhoo M. S., Mishrac B. K., Eckerta J. Effect of particle dispersion on the mechanical behavior of Al-based metal matrix composites reinforced with nanocrystalline Al – Ca intermetallics // Journal of Alloys and Compounds. 2012. Vol. 536. P. 134–137.
26. Xue Y., Shen R., Ni S., Song M., Xiao D. Fabrication, microstructure and mechanical properties of Al – Fe intermetallic particle reinforced Al-based composites // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 618. P. 537–544.
27. Kim J. T., Hong S. H., Park J. M., Eckert J., Kim K. B. Microstructure and mechanical properties of hierarchical multi-phase composites based on Al – Ni-type intermetallic compounds in the Al – Ni – Cu – Si alloy system // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 749. P. 205–210.
28. Shurkin P. K., Belov N. A., Akopyan T. K., Alabin A. N., Aleshchenko A. S., Avxentieva N. N. Formation of the Structure of Thin-Sheet Rolled Product from a High-Strength Sparingly Alloyed Aluminum Alloy Nikalin // The Physics of Metals and Metallography. 2017. Vol. 118, Iss. 9. P. 896–904.
29. Kendig K., Miracle D. Strengthening mechanisms of an Al – Mg – Sc – Zr alloy // Acta Materialia. 2002. Vol. 50. P. 4165– 4175.
30. Lefebvre W., Danoix F., Hallem H., Forbord B., Bostel A., Marthinsen K. Precipitation kinetic of Al₃(Sc, Zr) dispersoids in aluminium // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 470. P. 107–110.