Изучение влияния малых добавок Sc И Zr на микроструктуру сплава Al–Mg–Si с избытком кремния при многоступенчатой термической обработке

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена изучению влияния многоступенчатой термической обработки на формирование микроструктуры сплава серии Al–Mg–Si, легированного скандием и цирконием при соотношении Mg/Si=0.3. Для этого был отлит “базовый” сплав AlMgSi, не содержащий скандия и циркония, и его модификация AlMgSiScZr с добавками данных элементов. Многоступенчатая термообработка сплава AlMgSiScZr состояла из 4-х этапов отжига: 550 °C, 8 ч + 440 °C, 8 ч + 500 °C, 0.5 ч + 180 °C, 5 ч. Для сплава AlMgSi она включала в себя две ступени 550 °C, 8 ч + 180 °C, 5 ч. Исследование микроструктуры сплава AlMgSiScZr проводили в литом состоянии, а также после каждого шага термической обработки с помощью сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, сплава AlMgSi – в литом состоянии и после заключительной термообработки. После каждого шага термической обработки измеряли микротвердость исследованных сплавов. Установлено, что в процессе охлаждения слитка в рассматриваемых сплавах образуются крупные интерметаллиды типа Fe2Mg7Si10Al18, которые частично растворяются при последующей термообработке. В то же время в сплаве с добавками скандия и циркония на межзеренных границах присутствуют частицы, которые можно отнести либо к (AlSi)3ScZr, либо к τ (фазе) AlSc2Si2. Следов прерывистого распада пересыщенного скандием твердого раствора при остывании слитка обнаружено не было. Термическая обработка при 550 °C, 8 ч + 440 °C, 8 ч приводит к появлению фазы, которая может являться как AlSc2Si2, так и Al5SiZr2, в то же время наночастицы (AlSi)3ScZr не образуются. Нагрев при 500 °C в течение 30 мин позволяет полностью растворить частицы, содержащие магний. На заключительном этапе в исследуемых сплавах образуются частицы βꞌꞌ (Mg5Si6), при этом скандий не оказывает на их формирование существенного влияния.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. В. Арышенский

Сибирский государственный индустриальный университет; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Автор, ответственный за переписку.
Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
Россия, ул. Кирова, 42, Новокузнецк, 65400; Московское шоссе, 34, Самара, 443086

М. А. Лапшов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
Россия, Московское шоссе, 34, Самара, 443086

Д. Ю. Распосиенко

Институт физики металлов УрО РАН

Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

С. В. Коновалов

Сибирский государственный индустриальный университет; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
Россия, ул. Кирова, 42, Новокузнецк, 65400; Московское шоссе, 34, Самара, 443086

А. М. Дриц

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
Россия, Московское шоссе, 34, Самара, 443086

В. В. Макаров

Институт физики металлов УрО РАН

Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Алаттар А.Л., Никитина Л.Н., Бажин В.Ю. Повышение физико-механических свойств алюминиевых сплавов, армированных частицами карбида бора // Электрометаллургия. 2022. № 7. С. 13–22.
  2. Kosov Y.I., Bazhin V.Y. Synthesis of an aluminum–erbium master alloy from chloride–fluoride melts // Russian Metal. (Metally). 2018. V. 2018. № 2. P. 139–148.
  3. Bazhin V.Y., Kosov Y.I., Lobacheva O.L., Dzhevaga N.V. Synthesis of aluminum-based scandium–yttrium master alloys // Russian Metal. (Metally). 2015. V. 2015. № 7. P. 516–520.
  4. Edwards G.A., Stiller K., Dunlop G.L., Couper M.J. The precipitation sequence in Al–Mg–Si alloys // Acta Mater. 1998. V. 46. № 11. P. 3893–3904.
  5. Murayama M., Hono K. Pre-precipitate clusters and precipitation processes in Al–Mg–Si alloys // Acta Mater. 1999. V. 47. № 5. P. 1537–1548.
  6. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. МИСиС, 2005.
  7. Meyruey G., Massardier V., Lefebvre W., Perez M. Over-ageing of an Al–Mg–Si alloy with silicon excess // Mater. Sci. Eng.: A. 2018. V. 730. P. 92–105.
  8. Zakharov V.V. Combined alloying of aluminum alloys with scandium and zirconium // Metal. Sci. Heat Treatment. 2014. V. 56. № 5–6. P. 281–286.
  9. Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys // Intern. Mater. Rev. 2005. V. 50. № 1. P. 19–44.
  10. Elagin V.I., Zakharov V.V., Rostova T.D. Prospects in alloying of aluminium alloys with scandium // Tsvetnye Metally. 1982. P. 96–99.
  11. Davydov V.G., Elagin V.I., Zakharov V.V., Rostova T.D. Alloying aluminum alloys with scandium and zirconium additives // Metal. Sci. Heat Treatment. 1996. V. 38. № 8. P. 347–352.
  12. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р., Табачкова Н.Ю., Суханов А.В. Влияние скандия на кинетику и упрочнение при старении сплавов системы AL–MG 2SI // Технология легких сплавов. 2015. № 2. C. 53–62.
  13. Davydov V.G., Rostova T.D., Zakharov V.V., Filatov Y.A., Yelagin V.I. Scientific principles of making an alloying addition of scandium to aluminium alloys // Mater. Sci. Eng.: A. 2000. V. 280. № 1. P. 30–36.
  14. Vlach M., Smola B., Stulíková I., Očenášek V. Microstructure and mechanical properties of the AA6082 aluminium alloy with small additions of Sc and Zr // Intern. J. Mater. Research. 2009. V. 100. № 3. P. 420–423.
  15. Ikeda K., Akiyoshi R., Takashita T., Mitsuhara M., Hata S., Nakashima H., Kaneko K. Precipitation Morphology in Al–Mg–Si–Sc–Zr Hot-Rolled Sheet / ICAA13 Pittsburgh: Proceedings of the 13th International Conference on Aluminum Alloys. – Springer International Publishing, 2016. P. 1181–1185.
  16. Jiang S., Wang R. Grain size-dependent Mg/Si ratio effect on the microstructure and mechanical/electrical properties of Al–Mg–Si–Sc alloys // J. Mater. Sci. Techn. 2019. V. 35. № . 7. P. 1354–1363.
  17. Cabibbo M., Evangelista E. A TEM study of the combined effect of severe plastic deformation and (Zr),(Sc+ Zr)-containing dispersoids on an Al–Mg–Si alloy // J. Mater. Sci. 2006. V. 41. P. 5329–5338.
  18. Aryshenskii E., Lapshov M., Hirsch J., Konovalov S., Bazhenov V., Drits A., Zaitsev D. Influence of the small sc and zr additions on the as-cast microstructure of al–mg–si alloys with excess silicon // Metals. 2021. V. 11. № 11. P. 1797.
  19. Babaniaris S., Ramajayam M., Jiang L., Langan T., Dorin T. Tailored precipitation route for the effective utilisation of Sc and Zr in an Al–Mg–Si alloy // Materialia. 2020. V. 10. P. 100656.
  20. Aryshenskii E., Lapshov M., Konovalov S., Hirsch J., Aryshenskii V., Sbitneva S. The Casting Rate Impact on the Microstructure in Al–Mg–Si Alloy with Silicon Excess and Small Zr, Sc Additives // Metals. 2021. V. 11. № 12. P. 2056.
  21. Murray J., Peruzzi A., Abriata J.P. The Al-Zr (aluminum-zirconium) system // J. Phase Equilibria. 1992. V. 13. № 3. P. 277–291.
  22. Wang F., Qiu D., Liu Z.L., Taylor J.A., Easton M.A., Zhang M.X. The grain refinement mechanism of cast aluminium by zirconium // Acta Mater. 2013. V. 61. № 15. P. 5636–5645.
  23. Du Y., Chang Y.A., Liu S., Huang B., Xie F.Y., Yang Y., Chen S.L. Thermodynamic description of the Al–Fe–Mg–Mn–Si system and investigation of microstructure and microsegregation during directional solidification of an Al–Fe–Mg–Mn–Si alloy // Intern. J. Mater. Research. 2022. V. 96. № 12. P. 1351–1362.
  24. Kumar S., Babu N.H., Scamans G.M., Eskin D.G., Fan Z. Solidification behaviour of an AA5754 Al alloy ingot cast with high impurity content // Intern. J. Mater. Research. 2012. V. 103. № 10. P. 1228–1234.
  25. Engler O., Miller-Jupp S. Control of second-phase particles in the Al–Mg–Mn alloy AA 5083 // J. Alloys and Compounds. 2016. V. 689. P. 998–1010.
  26. Norman A.F., Prangnell P.B., McEwen R.S. The solidification behaviour of dilute aluminium–scandium alloys // Acta Mater. 1998. V. 46. № 16. P. 5715–5732.
  27. Lech-Grega M., Boczkal S. Iron Phases in Model Al–Mg–Si–Cu Alloys // Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd. 2011. V. 674. P. 135–140.
  28. Hirano T., Ohtani H., Hasebe M. Thermodynamic analysis of the Al-Si-Zr ternary system // High Temperature Mater. and Processes. 2010. V. 29. № 5–6. P. 347–372.
  29. Yang W., Ji S., Huang L., Sheng X., Li Z., Wang M. Initial Precipitation and Hardening Mechanism during Non-isothermal Ageing in an Al–Mg–Si–Cu 6005A Alloy // Mater. Characterization. 2014. V. 94. P. 170–177.
  30. Vissers R., van Huis M.A., Jansen J., Zandbergen H.W., Marioara C.D., Andersen S.J. The crystal structure of the β′ phase in Al–Mg–Si alloys // Acta Mater. 2007. V. 55. № 11. P. 3815–3823.
  31. Yang W., Huang L., Zhang R., Wang M., Li Z., Jia Y., Lei R., Sheng X. Electron microscopy studies of the age-hardening behaviors in 6005A alloy and microstructural characterizations of precipitates // J. Alloys Compounds. 2012. V. 514. P. 220–233.
  32. Cordero Z.C., Knight B.E., Schuh C.A. Six decades of the Hall–Petch effect–a survey of grain-size strengthening studies on pure metals // Intern. Mater. Rev. 2016. V. 61. № 8. P. 495–512.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изображения зёренной структуры сплавов, полученные с помощью оптической микроскопии: а – AlMgSi; б – AlMgSiScZr.

Скачать (25KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результаты СЭМ-исследований сплавов в литом состоянии: а, б – изображения микроструктуры сплавов, полученные в обратно рассеянных электронах: а – AlMgSi; б – AlMgSiScZr; в, г, д – EDS-анализ обнаруженных частиц (энергодисперсионная рентгеновская спектрограмма).

Скачать (59KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения микроструктуры сплава AlMgSiScZr в литом состоянии: а – светлопольное изображение; б – светлопольное изображение в режиме сканирования на просвет (STEM); в – спектр характеристического излучения в точке 2 на рисунке 3б; г – микроэлектронограмма, ось зоны [001]Al (с области обозначенной кружком на рис. 3а).

Скачать (73KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Результаты СЭМ-исследований сплава AlMgSi после отжига 550 °C, 8 ч: а – изображение микроструктуры, полученное в обратно рассеянных электронах; б – EDS-анализ обнаруженных частиц (энергодисперсионная рентгеновская спектрограмма).

Скачать (31KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Электронно-микроскопические изображения микроструктуры сплава AlMgSiScZr после отжига 550 °C, 8 ч: а, в, д – светлопольные изображения в режиме сканирования на просвет (STEM); б, г – спектры характеристического излучения в точке: б – 1 на рис. 5а; г – 1 на рис. 5в.

Скачать (80KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Электронно-микроскопические изображения микроструктуры сплава AlMgSiScZr после отжига 550 °C 8 ч + 440 °C 8 ч: а – темнопольное изображение в рефлексе (222)AlSi2Sc2; б – микроэлектронограмма, ось зоны [112]Al; в – светлопольное изображение в режиме сканирования на просвет (STEM); г – спектр характеристического излучения в точке 2 на рис. 6в.

Скачать (64KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Результаты СЭМ-исследований сплава AlMgSiScZr после многоступенчатого отжига: 550 °C, 8 ч + 440 °C, 8 ч + 500 °C, 0.5 ч: а –изображение микроструктуры, полученное в обратно рассеянных электронах; б – EDS-анализ обнаруженных частиц (энергодисперсионная рентгеновская спектрограмма).

Скачать (31KB)
Метаданные
9. Рис. 8. ПЭМ-изображения микроструктуры сплава AlMgSiScZr после многоступенчатого отжига: 550 °C, 8 ч + 440 °C, 8 ч + 500 °C, 0.5 ч + 180 °C, 5 ч: а – светлопольное изображение в режиме сканирования на просвет (STEM); б – темнопольное изображение в рефлексе (212)βꞌꞌ; в – светлопольное изображение.

Скачать (45KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Электронно-микроскопические изображения микроструктуры сплава AlMgSi после отжига: 550 °C, 8 ч + 180 °C, 5 ч: а, б – светлопольные изображения; в – темнопольное изображение в рефлексах фаз.

Скачать (50KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Микротвердость сплавов AlMgSi и AlMgSiScZr в литом состоянии и после термической обработки.

Скачать (23KB)
Метаданные