Особенности структурообразования в сплаве системы Al–Fe–Mn при кристаллизации с различными скоростями охлаждения

Исследованы особенности формирования микроструктуры сплава Al–2,5%Fe–1,5%Mn в зависимости от скорости охлаждения при литье и в процессе лазерного плавления. Анализ микроструктуры в литом состоянии показал, что с повышением скорости охлаждения при кристаллизации от 0,5 до 940 К/с первичная кристаллизация фазы Al6(Mn,Fe) практически полностью подавляется, увеличивается объем неравновесной эвтектики до 43 %. Микроструктура сплава Al–2,5%Fe–1,5%Mn после лазерного плавления характеризуется наличием кристаллов алюминиевой матрицы дендритного типа со средним размером ячейки 0,56 мкм, окруженных железомарганцовистой фазой эвтектического происхождения со средним размером пластин 0,28 мкм. Первичная кристаллизация фазы Al6(Mn,Fe) полностью подавлена. Формирование такой микроструктуры происходит при скоростях охлаждения от 1,1·104 до 2,5·104 К/с, что соответствует скоростям охлаждения, реализуемым в аддитивных технологиях. На границе между треком и основным металлом, а также на границе повторного переплава выявлены области, со- стоящие из первичных кристаллов фазы Al6(Mn,Fe), сформированных по механизму эпитаксиального роста. Чем меньше размер эвтектических пластин и дендритной ячейки, находящихся в эпитаксиальном слое, тем дисперснее первичные кристаллы в зоне переплава. Сплав Al–2,5%Fe–1,5%Mn после лазерного плавления имеет высокую твердость при комнатной температуре (93 HV) и хорошую термическую стабильность после нагрева до 300 °С (твердость незначительно снижается до 85 HV), а его расчетный предел текучести составляет 227 МПа. В совокупности с высокими показателями дисперсности формируемой микроструктуры, технологичности при лазерном плавлении, твердости при комнатной температуре и расчетного предела текучести сплав Al–2,5%Fe–1,5%Mn является перспективным для использования в аддитивных технологиях.

1. Li R., Wang M., Yuan T., Song B., Chen C., Zhou K., Cao P. Selective laser melting of a novel Sc and Zr modified Al—6.2Mg alloy: Processing, microstructure, and properties. Powder Technol. 2017. Vol. 319. P. 117—128.

2. Spierings A.B., Dawson K., Heeling T., Uggowitzer P.J., Schäublin R., Palm F., Wegener K. Microstructural features of Sc- and Zr-modified Al—Mg alloys processed by selective laser melting. Mater. Design. 2017. Vol. 115. P. 52—63.

3. Zhang H., Zhu H., Nie X., Yin J., Hu Z., Zeng X. Effect of zirconium addition on crack, microstructure and mechanical behavior of selective laser melted Al—Cu—Mg alloy. Scripta Mater. 2017. Vol. 134. P. 6—10.

4. Lopez-Botello O., Martinez-Hernande U., Ramírez J., Pinna C., Mumtaz K. Two-dimensional simulation of grain structure growth within selective laser melted AA-2024. Mater. Design. 2017. Vol. 113. P. 369—376.

5. Jiang B., Zhenglong L., Xi C., Peng L., Nannan L., Yanbin C. Microstructure and mechanical properties of TiB2-reinforced 7075 aluminum matrix composites fabricated by laser melting deposition. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. P. 5680—5692.

6. Qi T., Zhu H., Zhang H., Yin J., Ke L., Zeng X. Selective laser melting of Al7050 powder: Melting mode transition and comparison of the characteristics between the keyhole and conduction mode. Mater. Design. 2017. Vol. 135. P. 257—266.

7. Zhang J., Song B., Wei Q., Bourell D., Shi Y. A review of selective laser melting of aluminum alloys: Processing, microstructure, property and developing trends. J. Mater. Sci. Technol. 2019. Vol. 35. P. 270—284.

8. Biffi C.A., Fiocchi J., Bassani P., Paolino D.S., Tridello A., Chiandussi G., Rossetto M., Tuissi A. Microstructure and preliminary fatigue analysis on AlSi10Mg samples manufactured by SLM. Procedia Struct. Integrity. 2017. Vol. 27. P. 50—57.

9. Hirano K., Agarwala R., Cohen M. Diffusion of chromium in aluminium. Acta Metall. 1962. Vol. 10. P. 857—863.

10. Добаткин В.И., Елагин В.И. Гранулируемые алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1981.

11. Belov N.A., Eskin D.G., Avxentieva N.N. Constituent phase diagrams of the Al—Cu—Fe—Mg—Ni—Si system and their application to the analysis of aluminium piston alloys. Acta Mater. 2995. Vol. 53. Iss. 17. P. 4709—4722.

12. Eskin D.G., Suyitno Katgerman L. Mechanical properties in the semi-solid state and hot tearing of aluminium alloys. Prog. Mater. Sci. 2004. Vol. 49. Iss. 5. P. 629—711.

13. Karbin L.M., Yanar C., Heard D.W., Wang W. Aluminum alloys having iron, silicon, vanadium and cooper: Pat. 2016/0138400 A1 (USA). 2016.

14. Wentland W.L., Karlen E., Mironets S., Ocken T.J., Bianco R. Method of manufacturing aluminum alloy articles: Pat. 2017/0016096 A1 (US). 2017.

15. Wentland W.L., Karlen E., Mironets S., Ocken T.J., Bianco R. Method of manufacturing aluminum alloy articles: Pat. 2017/0016094A1 (US). 2017.

16. Manca D.R., Churyumov A.Yu., Pozdniakov A.V., Ryabov D.K., Korolev V.A., Daubarayte D.K. Novel heatresistant Al—Si—Ni—Fe alloy manufactured by selective laser melting. Mater. Lett. 2019. Vol. 236. P. 676—679.

17. Логинова И.С., Чурюмов А.Ю., Даубарайте Д.К., Королев В.А., Солонин А.Н. Влияние добавок переходных металлов Fe, Cr, Mn и Ni на структуру и свойства алюминиевых сплавов при лазерном воздействии в аддитивных технологиях. Технология легких сплавов. 2019. No. 4. С. 5—16.

18. Чурюмов А.Ю. Расчет предела текучести и деформационного упрочнения алюминиевых сплавов по параметрам структуры: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МИСиС, 2008.

19. Поздняков А.В., Золоторевский В.С., Хомутов М.Г. Горячеломкость литейных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2014.

20. Pozdniakov A.V., Churyumov A.Y., Loginova I.S., Daubarayte D.K., Ryabov D.K., Korolev V.A. Microstructure and properties of novel AlSi11CuMn alloy manufactured by selective laser melting. Mater. Lett. 2018. Vol. 225. P. 33—36.

21. Churyumov A.Yu., Pozdniakov A.V., Prosviryakov A.S., Loginova I.S., Daubarayte D.K., Ryabov D.K., Korolev V.A., Solonin A.N., Pavlov M.D., Valchuk S.V. Microstructure and mechanical properties of a novel selective laser melted Al—Mg alloy with low Sc content. Mater. Res. Express. 2019. Vol. 6. P. 126595.

22. Kaplanskii Yu.Yu., Sentyurina Zh.A., Loginov P.A., Levashov E.A., Korotitskiy A.V., Travyanov A.Yu., Petrovskii P.V. Microstructure and mechanical properties of the (Fe,Ni) Al-based alloy produced by SLM and HIP of spherical composite powder. Mater. Sci. Eng. A. 2019. Vol. 743. P. 567—580.

23. Manca D.R., Churyumov A.Y., Pozdniakov A.V., Prosviryakov A.S., Ryabov D.K., Krokhin A.Y., Korolev V.A., Daubarayte D.K. Microstructure and properties of novel heat resistant Al—Ce—Cu alloy for additive manufacturing met. Mater. Int. 2019. Vol. 25(3). P. 633—640.

24. Kaplanskii Yu.Yu., Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Loginov P.A., Logachev I.A. The structure and properties of pre-alloyed NiAl—Cr(Co,Hf) spherical powders produced by plasma rotating electrode processing for additive manufacturing. J. Mater. Res. Technol. 2018. Vol. 7. Iss. 4. P. 461—468.