cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2023-5-57-68cvmet-1530Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentИсследование влияния фазового состава на термическое расширение и механические свойства сплавов Al–Сu–LiInvestigation into the impact of phase composition on the thermal expansion and mechanical properties of Al–Cu–Li alloyshttps://orcid.org/0000-0003-3160-5179АшмаринА. А.AshmarinA. A.

Артем Александрович Ашмарин – к.т.н., ведущий научный сотрудник

119334, г. Москва, Ленинский пр-т, 49

49 Leninskiy Prosp., Moscow, 119334

ashmarin_artem@list.ruhttps://orcid.org/0009-0003-0538-6926ГордееваМ. И.GordeevaM. I.

Маргарита Игоревна Гордеева – к.т.н., доцент кафедры 1102

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4

4 Volokolamskoe Highway, Moscow, 125993

gordeevami@mai.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0931-2839БецофенС. Я.BetsofenS. Ya.

Сергей Яковлевич Бецофен – д.т.н., профессор, кафедра 1101

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4

4 Volokolamskoe Highway, Moscow, 125993

s.betsofen@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9478-6793ЛозованА. А.LozovanA. A.

Александр Александрович Лозован – д.т.н., профессор, кафедра 1101

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4

4 Volokolamskoe Highway, Moscow, 125993

loz-plasma@yandex.ruWuR.WuR.

Ruizhi Wu – PhD, зам. заведующего ключевой лабораторией 

P.R. China, 150001, Harbin, Nantong Str., 145

145 Nantong Str., Harbin 150001

rzwu@hrbeu.edu.cnhttps://orcid.org/0000-0002-3134-2375АлександроваС. С.AlexandrovaS. S.

Светлана Сергеевна Александрова – к.т.н., доцент, кафедра 1101

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4

4 Volokolamskoe Highway, Moscow, 125993

sweta.sergeeva@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0006-0028-1684СеливановА. А.SelivanovA. A.

Андрей Аркадьевич Селиванов – к.т.н., начальник лаборатории

105005, г. Москва, ул. Радио, 17

17 Radio Str., Moscow, 105005

julies87@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0006-9561-7354БыкадоровА. Н.BykadorovA. N.

Артем Никитич Быкадоров – инженер, кафедра 1101

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4

4 Volokolamskoe Highway, Moscow, 125993

xartem94@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9932-5344ПрокопенкоД. А.ProkopenkoD. A.

Денис Алексеевич Прокопенко – инженер

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4

4 Volokolamskoe Highway, Moscow, 125993

denis.prokop1234@gmail.comИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНРоссияInstitute of Metallurgy and Materials Science n.a. A.A. Baikov of the Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian FederationHarbin Engineering UniversityКитайHarbin Engineering UniversityChinaВсероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»РоссияAll-Russian Research Institute of Aviation Materials of the National Research Center “Kurchatov Institute”Russian Federation2023201020232955768Copyright © Ашмарин А.А., Гордеева М.И., Бецофен С.Я., Лозован А.А., Wu R., Александрова С.С., Селиванов А.А., Быкадоров А.Н., Прокопенко Д.А., 20232023Ашмарин А.А., Гордеева М.И., Бецофен С.Я., Лозован А.А., Wu R., Александрова С.С., Селиванов А.А., Быкадоров А.Н., Прокопенко Д.А.Ashmarin A.A., Gordeeva M.I., Betsofen S.Y., Lozovan A.A., Wu R., Alexandrova S.S., Selivanov A.A., Bykadorov A.N., Prokopenko D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1530

Методами высокотемпературной рентгенографии, количественного фазового анализа и измерения механических свойств при растяжении определяли корреляционные соотношения характеристик термического расширения (ТКЛР) и фазового состава с усредненными значениями по 3-м направлениям в листах пределов текучести и модулей Юнга сплавов системы Al–Cu–Li: 1441, В-1461, В-1469, В-1480 и В-1481. Содержание меди в твердом растворе и массовые доли фаз T1(Al2CuLi) и δ′(Al3Li) оценивали с помощью оригинальной методики, основанной на измерении периода решетки α-твердого раствора, законе Вегарда и уравнениях баланса элементного и фазового составов сплавов. Показано, что с увеличением отношения лития к меди в сплавах от 0,32 до 1,12 повышается доля δ′(Al3Li)-фазы от 6,3–8,4 мас.% в сплавах В-1481, В-1480 и В-1469 до 16,0–17,3 мас.% в сплавах 1441 и В-1461 за счет снижения количества T1(Al2CuLi)-фазы от 5 до 1 мас.%. Это приводит к увеличению модуля Юнга от 75 до 77 ГПа из-за возрастания суммарной доли интерметаллидов и к снижению предела текучести от 509 до 367 МПа из-за уменьшения количества Т1-фазы, поскольку эффект упрочнения T1-фазы в 3–4 раза превосходит упрочнение от выделения δ′-фазы, что не может быть скомпенсировано повышением суммарной доли интерметаллидов. Тот факт, что модуль Юнга при этом увеличивается, свидетельствует о том, что упругие свойства интерметаллидных фаз близки и возрастание суммарной доли интерметаллидов компенсирует снижение количества T1-фазы. Показано, что величина ТКЛР, измеренная на основании термического расширения твердого раствора, зависит также от характеристик присутствующих в сплаве интерметаллидных фаз, что расширяет возможности интерпретации результатов измерения ТКЛР. 

The study employed high-temperature X-ray diffraction, quantitative phase analysis, and tensile mechanical property measurements to investigate the relationship between coefficient of thermal expansion (CTE) and phase composition, along with the average yield strengths and Young's moduli of Al–Cu–Li alloys in three different sheet orientations: 1441, V-1461, V-1469, V-1480, and V-1481. The copper content within the solid solution and the mass fractions of the T1(Al2CuLi) and δ′(Al3Li) phases were determined using an innovative technique based on measuring the lattice distance of the α solid solution, Vegard's law, and balance equations for the elemental and phase compositions of the alloys. It was observed that as the lithium-to-copper ratio in the alloys increased from 0.32 to 1.12, the proportion of the δ′(Al3Li) phase increases from 6.3–8.4 wt.% in V-1481, V-1480 and V-1469 alloys to 16.0–17.3 wt.% in 1441 and V-1461 alloys, accompanied by a decrease in the T1(Al2CuLi) phase from 5 to 1 wt.%. This led to an increase in the Young's modulus from 75 to 77 GPa due to higher overall proportion of intermetallic compounds and a reduction in yield strength from 509 to 367 MPa due to the decrease in the T1 phase. This decrease in yield strength resulted from the fact that the hardening effect of the T1 phase was 3–4 times greater than that of the δ′ phase, and this couldn't be offset by an increase in the total intermetallic compound proportion. The observed increase in Young's modulus indicated that the elastic properties of the intermetallic phases were similar, and the rise in the total fraction of intermetallic compounds compensated for the decrease in the T1 phase. Furthermore, it was demonstrated that СTE, as measured based on the thermal expansion of the solid solution, also depended on the characteristics of the intermetallic phases present in the alloy. This expanded the potential interpretations of СTE measurement results. 

сплавы Al–Cu–Liколичественный фазовый анализвысокотемпературная рентгенографияТКЛРмодуль Юнгапредел текучестиAl–Cu–Li alloysquantitative phase analysishigh temperature radiographyСTEYoung's modulusyield strengthReferencesSaringer C., Kickinger C., Munnik F., Schalk N., Tkadletz M. Thermal expansion of magnetron sputtered TiCxN1–x coatings studied by high-temperature X-ray diffraction. Thin Solid Films. 2019;688:137307. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.05.026Saringer C., Kickinger C., Munnik F., Schalk N., Tkadletz M. Thermal expansion of magnetron sputtered TiCxN1–x coatings studied by high-temperature X-ray diffraction. Thin Solid Films. 2019;688:137307. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.05.026Chen C.-L., Thomson R.C. Study on thermal expansion of intermetallics in multicomponent Al—Si alloys by high temperature X-ray diffraction. Intermetallics. 2010;18(9):1750—1757. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.05.015Chen C.-L., Thomson R.C. Study on thermal expansion of intermetallics in multicomponent Al—Si alloys by high temperature X-ray diffraction. Intermetallics. 2010;18(9):1750—1757. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.05.015Yong Xu, Xin Chen, Yili Cao, Kun Lin, Chin-Wei Wang, Qiang Li, Jinxia Deng, Jun Miao, Xianran Xing. Neutron diffraction study on anomalous thermal expansion of CrB2. Chinese Journal of Structural Chemistry. 2023; (January):100009. https://doi.org/10.1016/j.cjsc.2022.100009Yong Xu, Xin Chen, Yili Cao, Kun Lin, Chin-Wei Wang, Qiang Li, Jinxia Deng, Jun Miao, Xianran Xing. Neutron diffraction study on anomalous thermal expansion of CrB2. Chinese Journal of Structural Chemistry. 2023; (January):100009. https://doi.org/10.1016/j.cjsc.2022.100009Dongyu Cen, Bin Wang, Ruixue Chu, Yuanyuan Gong, Guizhou Xu, Fenghua Chen, Feng Xu. Design of (Hf,Ta)Fe2 /Fe composite with zero thermal expansion covering room temperature. Scripta Materialia. 2020;186: 331—335. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.05.048Dongyu Cen, Bin Wang, Ruixue Chu, Yuanyuan Gong, Guizhou Xu, Fenghua Chen, Feng Xu. Design of (Hf,Ta)Fe2 /Fe composite with zero thermal expansion covering room temperature. Scripta Materialia. 2020;186: 331—335. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.05.048Niu Zhang, Jinghua Li, Xiaoshuai Kong, Mengting She, Peng Guo, Jingjing Sun, Peiling Yuan, Shuaipu Zang, Mingju Chao, Erjun Liang. Negative thermal expansion property in Nb14W3O44. Journal of Materials Research and Technology. 2022;18:3841—3848. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.04.083Niu Zhang, Jinghua Li, Xiaoshuai Kong, Mengting She, Peng Guo, Jingjing Sun, Peiling Yuan, Shuaipu Zang, Mingju Chao, Erjun Liang. Negative thermal expansion property in Nb14W3O44. Journal of Materials Research and Technology. 2022;18:3841—3848. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.04.083Keith R. Hallama, James Edward Darnbrough, Charilaos Paraskevoulakos, Peter J. Hearda, T. James Marrow, Peter E.J.Flewitt. Measurements by X-ray diffraction of the temperature dependence of lattice parameter and crystallite size for isostatically-pressed graphite. Carbon Trends. 2021;4:100071. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2021.100071Keith R. Hallama, James Edward Darnbrough, Charilaos Paraskevoulakos, Peter J. Hearda, T. James Marrow, Peter E.J.Flewitt. Measurements by X-ray diffraction of the temperature dependence of lattice parameter and crystallite size for isostatically-pressed graphite. Carbon Trends. 2021;4:100071. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2021.100071Kazuma Akikubo, Tyler Kurahashi, Sota Kawaguchi, Masaru Tachibana. Thermal expansion measurements of nano-graphite using high-temperature X-ray diffraction. Carbon. 2020;169:307—311. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.07.027Kazuma Akikubo, Tyler Kurahashi, Sota Kawaguchi, Masaru Tachibana. Thermal expansion measurements of nano-graphite using high-temperature X-ray diffraction. Carbon. 2020;169:307—311. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.07.027Abhijith Vijay V., Santhy K., Sivakumar G., Rajasekaran B. Thermal expansion and microstructure evolution of atmospheric plasma sprayed NiCrAlY bond coat using in-situ high temperature X-ray diffraction. Surface and Coatings Technology. 2023;452:129132. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.129132Abhijith Vijay V., Santhy K., Sivakumar G., Rajasekaran B. Thermal expansion and microstructure evolution of atmospheric plasma sprayed NiCrAlY bond coat using in-situ high temperature X-ray diffraction. Surface and Coatings Technology. 2023;452:129132. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.129132Josef Schlacher, Zdenek Chlup, Anna-Katharina Hofer, Raul Bermejo. High-temperature fracture behaviour of layered alumina ceramics with textured microstructure. Journal of the European Ceramic Society. 2023;43(7): 2917—2927. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.11.046Josef Schlacher, Zdenek Chlup, Anna-Katharina Hofer, Raul Bermejo. High-temperature fracture behaviour of layered alumina ceramics with textured microstructure. Journal of the European Ceramic Society. 2023;43(7): 2917—2927. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.11.046Huanbei Chen, Feiyu Zheng, Weizheng Cheng, Peng Tao, Chengyi Song, Wen Shang, Benwei Fu, Tao Deng. Low thermal expansion metal composite-based heat spreader for high temperature thermal management. Materials & Design. 2021;208:109897. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109897Huanbei Chen, Feiyu Zheng, Weizheng Cheng, Peng Tao, Chengyi Song, Wen Shang, Benwei Fu, Tao Deng. Low thermal expansion metal composite-based heat spreader for high temperature thermal management. Materials & Design. 2021;208:109897. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109897Hani Manssor Albetran. Thermal expansion coefficient determination of pure, doped, and co-doped anatase nanoparticles heated in sealed quartz capillaries using insitu high-temperature synchrotron radiation diffraction. Heliyon. 2020;6(7):e04501. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04501Hani Manssor Albetran. Thermal expansion coefficient determination of pure, doped, and co-doped anatase nanoparticles heated in sealed quartz capillaries using insitu high-temperature synchrotron radiation diffraction. Heliyon. 2020;6(7):e04501. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04501Pikea Nicholas A., Løvvika Ole M. Calculation of the anisotropic coefficients of thermal expansion: A first-principles approach. Computational Materials Science. 2019;167:257—263. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.05.045Pikea Nicholas A., Løvvika Ole M. Calculation of the anisotropic coefficients of thermal expansion: A first-principles approach. Computational Materials Science. 2019;167:257—263. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.05.045Guo Tian, Wu Shusen, Zhou Xiong, Lü Shulin, Xia Lanqing. Effects of Si content and Ca modification on microstructure and thermal expansion property of Mg—Si alloys. Materials Chemistry and Physics. 2020;253:123260. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123260Guo Tian, Wu Shusen, Zhou Xiong, Lü Shulin, Xia Lanqing. Effects of Si content and Ca modification on microstructure and thermal expansion property of Mg—Si alloys. Materials Chemistry and Physics. 2020;253:123260. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123260Wang Xue Yi, Yang Jun, Chi Pei Zhou, Bahonar Ehsan, Tayebi Morteza. Effects of the microstructure and preci pitation hardening on the thermal expansion behavior of ZK60 magnesium alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2022;901:163422. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163422Wang Xue Yi, Yang Jun, Chi Pei Zhou, Bahonar Ehsan, Tayebi Morteza. Effects of the microstructure and preci pitation hardening on the thermal expansion behavior of ZK60 magnesium alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2022;901:163422. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163422Ningning Dong, Jinhui Wang, Hongbin Ma, Peipeng Jin. Effects of Nd content on thermal expansion behavior of Mg—Nd alloys. Materials Today Communication. 2021;29:102894. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102894Ningning Dong, Jinhui Wang, Hongbin Ma, Peipeng Jin. Effects of Nd content on thermal expansion behavior of Mg—Nd alloys. Materials Today Communication. 2021;29:102894. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102894Бецофен С.Я., Ашмарин А.А., Терентьев В.Ф., Грушин И.А., Лебедев М.А. Фазовый состав и остаточные напряжения в поверхностных слоях трип-стали ВНС9-Ш. Деформация и разрушение материалов. 2020;6:12—20.Betsofen S.Y., Ashmarin A.A., Terent’ev V.F., Grushin I.A., Lebedev M.A. Phase composition and residual stresses in the surface layers of VNS9-Sh TRIP steel. Russian Metallurgy (Metally). 2020;(11):1129—1136. https://doi.org/10.1134/S0036029520100067Ашмарин А.А., Бецофен C.Я., Лукин Е.И. Исследование влияния отжига на фазовый состав и термические коэффициенты линейного расширения трип-стали ВНС9-Ш. Металлы. 2022;6:66—72.Ashmarin A.A., Betsofen S.Y., Lukin E.I. Effect of annealing on the phase composition and the linear thermal expansion coefficient of VNS9-Sh TRIP steel. Russian Metallurgy (Metally). 2022;(11):1397—1402. https://doi.org/10.1134/S0036029522110027Бецофен С.Я., Антипов В.В., Долгова М.И. Серебренникова Н.Ю., Кабанова Ю.А. Исследование фазового состава, текстуры и анизотропии свойств листов из сплавов системы Al—Cu—Li—Mg. Деформация и разрушение материалов. 2017;1:24—30.Betsofen S.Y., Antipov V.V., Serebrennikova N.Y., Dolgova M.I., Kabanova Yu.A. Phase composition, texture, and anisotropy of the properties of Al—Cu—Li—Mg alloy sheets. Russian Metallurgy (Metally). 2017;2017(10):831— 837. https://doi.org/10.1134/S0036029517100044Каблов Е.Н., Антипов В.В., Гирш Р.И., Серебренникова Н.Ю., Коновалов А.Н. Конструируемые слоистые материалы на основе листов из алюминий-литиевых сплавов и стеклопластиков в конструкциях летательных аппаратов нового поколения. Вестник машиностроения. 2020;(12):46—52.Kablov E.N., Antipov V.V., Girsh R.I., Serebrennikova N.Yu, Konovalov A.N. Designed layered materials based on sheets of aluminum-lithium alloys and fiberglass in the designs of new generation aircrafts. Vestnik Mashinostroeniya. 2020;(12):46—52. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.36652/0042-4633-2020-12-46-52Каблов Е.Н., Антипов В.В., Оглодкова Ю.С., Оглодков М.С. Опыт и перспективы применения алюминий-литиевых сплавов в изделиях авиационной и космической техники. Металлург. 2021;65(1):62—70.Kablov E.N., Antipov V.V., Oglodkova Yu.S., Ogladkov M.S. Development and application prospects of aluminum—lithium alloys in aircraft and space technology. Metallurgist. 2021;65(1-2):72—81. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01134-9Бецофен С.Я., Антипов В.В., Грушин И.А., Князев М.И., Хохлатова Л.Б., Алексеев А.А. Закономерности влияния состава Al—Li сплавов на количественное соотношение δ′(Al3Li), S1(Al2MgLi) и Т1(Al2CuLi) фаз. Металлы. 2015;(1):59—66.Betsofen S.Y., Antipov V.V., Grushin I.A., Knyazev M.I., Khokhlatova L.B., Alekseev A.A. Effect of the composition of Al—Li alloys on the quantitative relation between the δ′(Al3Li), S1(Al2MgLi), and T1(Al2CuLi) phases. Russian Metallurgy (Metally). 2015;(1):51—58. https://doi.org/10.1134/S0036029515010024

The authors declare that there are no conflicts of interest present.