Национальный исследовательский технологический университет МИСИС, Москва, Россия

Е. А. Наумова, доцент кафедры обработки металлов давлением, канд. техн. наук, эл. почта: jan73@mail.ru
М. А. Васина, инженер проекта кафедры обработки металлов давлением, канд. техн. наук
С. А. Финогеев, аспирант кафедры обработки металлов давлением
А. О. Бобрышева, аспирант кафедры обработки металлов давлением

С помощью термодинамических расчетов (с использованием программного обеспечения Thermo-Calc (база данных TСAL4) и экспериментальных методов изучены ранее не исследованные фазовые диаграммы Al – Cе – Zn и Al – Ca – Cе – Zn в области алюминиевого угла, включая построение проекций ликвидуса и политермических сечений. Исследовали 6 сплавов системы Al – Cе – Zn и 6 сплавов системы Al – Ca – Cе – Zn. Плавку проводили в печи сопротивления компании Graficarbo (Италия). Микроструктура литых и термообработанных образцов изучили на оптическом микроскопе (ОМ) Olympus GX51 (Япония) и сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) TESCAN VEGA 3 (Чехия). Установили, что в системе Al – Cе – Zn в первичных кристаллах фазы Al₁₁Ce₃ растворяется до 8,91 % (мас.) (до 7,19 % (ат.)) Zn c образованием соединения (Al, Zn)₁₁Ce₃, при этом атомы цинка замещают атомы алюминия. При скорости охлаждения 20 К/с граница фазовых областей сдвигается, расширяя область алюминиевого твердого раствора. В системе Al – Ca – Cе – Zn в первичных кристаллах фазы Al4Ca растворяются и цинк, и церий. Но цинка растворяется примерно в два раза больше, чем церия (7,0 % (мас.) Zn и 3,74 % (мас.) Ce). При этом образуется соединение (Al, Zn)4(Ca, Ce), в котором цинк замещает алюминий, а церий — кальций. С увеличением количества цинка в сплавах системы Al – Ca – Cе – Zn область существования алюминиевого твердого раствора сужается. Исследовали доэвтектический сплав Al – 4 Ca – 3 Ce – 4 Zn. Его микроструктура состоит из дендритов алюминиевого твердого раствора и высокодисперсных эвтектик. Цинк распределяется между твердым раствором и эвтектиками в соотношении примерно 1:1. Литые образцы были прокатаны с общим обжатием более 80 %. Горячую прокатку осуществляли на лабораторном стане 260 (Россия). Испытания образцов на растяжение проводили на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z250 (Германия). Механические свойства проката: предел прочности 180 МПа, предел текучести 107 МПа, относительное удлинение 10 %. Данная композиция может считаться перспективным высокотехнологичным «естественным композитом». 

Работа проведена при поддержке гранта № РНФ 20-19-00746-П.

1. 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.
2. Shurkin P. K., Belov N. A., Musin A. F., Aksenov A. A. Novel high-strength casting Al – Zn – Mg – Ca – Fe Aluminum alloy without heat treatment // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2020. Vol. 61. P. 179–187.
3. Naumova E. A., Petrzhik M. I., Shurkin P. K., Sokorev A. A. Effect of Ca and Zn alloying on the structure and properties of Al – 2.5 % Mg alloy // Non-Ferrous Metals. 2019. Vol. 46, No. 1. P. 22–27.
4. Moore D. M., Morris L. R. A new superplastic aluminum sheet alloy // Materials Science and Engineering. 1980. Vol. 43, No. 1. P. 85–92.
5. Belov N. A., Naumova E. A., Eskin D. G. Casting alloys of the Al – Ce – Ni system microstructural approach to alloy design // Materials Science and Engineering. A. 1999. Vol. 271, Iss. 1-2. P. 134–142.

6. Plotkowski A., Rios O., Sridharan N., Sims Z. et al. Evaluation of an Al – Ce alloy for laser additive manufacturing // Acta Materialia. 2017. Vol. 126. P. 507–519.
7. Fodran E. J. Microstructural evolution and thermal stability of Al – Ce – Ni ternary eutectic: dissertation. — University of Florida, USA, 2002.
8. Weiss D., Rios O. Low density and temperature tolerant alloys for automotive applications // WCX™ 17: SAE World Congress Experience Conference. April 6, 2017 . Detroit, Michigan, USA.
9. Hatch J. E. Aluminum: properties and physical metallurgy. — Ohio : American Society for Metals, 1984. — 424 p.
10. Золоторевский В. С., Белов Н. А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. — М. : МИСиС, 2005. — 376 с.
11. Weiss D. Castability and characteristics of high cerium aluminum alloys // Advanced Casting Technologies. — InTech Open, 2018. — 136 p.
12. Sims Z., Rios O., Weiss D. et al. High performance aluminum–cerium alloys for high-temperature applications // Materials Horizonts. 2017. Vol. 4. P. 1070–1078.
13. Glazoff M. V., Khvan A. V., Zolotorevsky V. S., Belov N. A., Dinsdale A. T. Casting aluminum alloys. Their physical and mechanical metallurgy. — Oxford : Elsevier, 2019. — 564 p.
14. Kaufman J. G., Rooy E. L. Aluminum alloy castings: properties, processes, and applications. — ASM International, 2004. — 340 p.
15. Бродова И. Г., Астафьев В. В., Яблонских Т. И., Казанцев В. А. Многокомпонентные композиты на основе Al – Si // Известия РАН. Cерия Физическая. 2010. Т. 74, № 11. С. 1583–1587.
16. Mondolfo L. F. Aluminum alloys: structure and properties. — London / Boston: Butterworths, 1976. — 971 p.
17. Наумова Е. А., Васина М. А., Черногорова О. П., Рогачев С. О. и др. Исследование влияния церия на структуру и свойства кальцийсодержащих алюминиевых сплавов // Металлург. 2023. № 9. С. 49–57.
18. Akopyan T. K., Letyagin N. V., Sviridova T. A., Korotkova N. O. et al. New casting alloys based on the Al + Al₄(Ca, La) eutectic // JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society. 2020. Vol. 72. P. 3779–3786.
19. Letyagin N. V., Musin A. F., Sichev L. S. New aluminumcalcium casting alloys based on secondary raw materials // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 38, Part IV. P. 1551–1555.
20. Belov N. A., Doroshenko V. V., Batyshev K. A. Microstructure and phase composition of the eutectic Al – Ca alloy, additionally alloyed with small additives of zirconium, scandium and manganese // Non-Ferrous Metals. 2017. Vol. 43, Iss. 2. P. 49–54.
21. Дорошенко В. В., Барыкин М. А., Короткова Н. О., Васина М. А. Влияние кальция и цинка на структуру и фазовый состав литейных магналиев // Физика металлов и металловедение. 2022. T. 123, № 8. С. 872–880.
22. Пикунов М. В. Плавка металлов, кристаллизация сплавов, затвердевание отливок : учебн. пособие для вузов. — М. : МИСИС, 1997. — 373 с.
23. Поздняков А. В. Расчет показателя горячеломкости и его использование при разработке новых литейных алюминиевых сплавов : дис. … канд. техн. наук. — М., 2013. — 123 с.