Влияние церия на фазовый состав и характер кристаллизации литейных алюминиевых сплавов системы Al—Mg—Si

В данной работе c помощью расчетов в программе «Thermo-Calc» (база данных TCAl4.0) раскрываются ранее не изученные данные о фазовом составе и характере кристаллизации сплавов системы Al—Mg—Si—Ce в области литейных алюминиево-магниевых сплавов двухфазного состава (Al) + Mg₂Si. Показано, что в процессе кристаллизации возможно формирование фаз (Al), Al₄Ce, Mg₂Si, Al₈Mg₅. При 4 % Mg и концентрациях (Si + Се) = 1,5 % одновременное повышение Ce и уменьшение Si с точек 0,2 и 1,3 % способствуют последовательному протеканию реакций L + (Al) + Al₄Ce и L + (Al) + Al₄Ce + Mg₂Si; это позволяет предположить, что фаза Al₄Ce может ограничивать рост эвтектических включений фазы Mg₂Si. Более того, при температуре 20 °C такое изменение концентраций способствует одновременному росту содержаний фаз Al₄Ce и Al₈Mg₅, что также сопровождается снижением количества силицида магния. При добавлении Се в сплав Al—4%Ce—0,5%Si доля Mg2Si практически постоянна во всем интервале кристаллизации (1,34 %), но при этом каждые 0,1 % Ce повышают долю интерметаллида c Ce на 0,17 %, и при 0,7 % Ce доли двух фаз становятся равнозначными. При изучении фазового состава при характерных температурах отжига 400 и 550 °C было выявлено, что вследствие растворения фазы Al₈Mg₅ происходит пересыщение твердого раствора (Al), и каждые 0,1 % Ce повышают долю Mg в твердом растворе (Al): в первом случае — на 0,005 %, а во втором — на 0,01 %, что свидетельствует о потенциале положительного влияния Се на упрочнение матрицы. На основании результатов был сделан вывод о целесообразности добавления в сплав Ce в количестве до 0,7 %, что незначительно уменьшает температуру ликвидуса (до ~636+638 °C), но на ~30 °C снижает температуру неравновесного солидуса до 421 °C. В то же время при постоянной температуре образования фазы Mg₂Si (581 °C) с добавкой Ce расширяется интервал кристаллизации эвтектики (Al) + Al₄Ce, что может компенсировать снижение литейных свойств. Сплав Al—4%Ce—0,5%Si—0,7%Ce имеет следующий фазовый состав: Al₄Ce — 1,19 %, соотношение [Mg₂Si/Al₄Ce] = 0,89, доля Al₈Mg₅ — 7,92 % при 20 °C, концентрации Mg в твердом растворе (Al) — 3,22 и 3,36 % при температурах 400 и 550 °C соответственно. Представленные результаты обосновывают составы и температурные режимы получения литейных алюминиево-магниевых сплавов с церием, оказывающим модифицирующее влияние на эвтектические включения Mg₂Si.

1. Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2010.

2. Kim B.J., Jung S.S., Hwang J.H., Park Y.H., Lee Y.C. Effect of eutectic Mg2Si phase modification on the mechanical properties of Al—8Zn—6Si—4Mg—2Cu cast alloy. Metals. 2019. Vol. 9. No. 1. Art. 32.

3. Prusov E., )eev V., Shunqi M. Thermodynamic assessment of the Al—Mg—Si—Ti phase diagram for metal matrix composites design. Mater. Today Proc. 2019. Vol. 19. P. 2005—2008.

4. Меркулова С.М., Бочвар С.Г. Влияние комплексного внепечного модифицирования на структуру алюминиевых слитков. Цветные металлы. 2016. No. 8. С. 80—85.

5. Eskin ).G., Tzanakis I., Wang F., Lebon G.S.B., Subroto T., Pericleous K., Mid J. Fundamental studies of ultrasonic melt processing. Ultrason. Sonochem. 2019. Vol. 52. P. 455—467.

6. Vdovin K.N., Dubsky G.A., Deev V.B., Egorova L.G., Nefediev A.A., Prusov E.S. Influence of a magnetic field on structure formation during the crystallization and physico-mechanical properties of aluminum alloys. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2019. Vol. 60. Iss. 3. P. 247—252.

7. Konovalov S.V., Danilov V.I., Zuev L.B., Filip'ev R.A., Gromov V.E. On the influence of the electrical potential on the creep rate of aluminum. Phys. Solid State. 2007. Vol. 49. No. 8. P. 1457—1459.

8. Wang H., Song G., Tang G. Evolution of surface mechanical properties and microstructure of Ti—6Al—4V alloy induced by electropulsing-assisted ultrasonic surface rolling process. J. Alloys Compd. 2016. Vol. 681. P. 146—156.

9. Zuev L.B., Danilov V.I., Konovalov S.V., Filip'ev R.A., Gromov V.E. Influence of contact potential difference and electric potential on the microhardness of metals. Phys. Solid State. 2009. Vol. 51. No. 6. P. 1137—1141.

10. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р., Тарытина И.Е. Влияние скандия совместно с цирконием на структуру и прочностные свойства сплавов на основе системы Al—Mg2Si. Металлы. 2015. No. 5. С. 60—66.

11. Emamy M., Khorshidi R., Raouf A.H. The influence of pure Na on the microstructure and tensile properties of Al—Mg2Si metal matrix composite. Mater. Sci. Eng. A. 2011. No. 13. P. 4337—4342.

12. Li C., Wu Y., Li H., Wu Y., Liu X. Effect of Ni on eutectic structural evolution in hypereutectic Al—Mg2Si cast alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2010. No. 528. P. 573—577.

13. Qin Q.D., Zhao Y.G., Zhou W., Cong P.J. Effect of phosphorus on microstructure and growth manner of primary Mg2Si crystal in Mg2Si/Al composite. Mater. Sci. Eng. A. 2007. No. 447. P. 186—191.

14. Jiang W., Xu X., Zhao Y., Wang Z., Wu C., Pan D., Meng Z. Effect of the addition of Sr modifier in different conditions on microstructure and mechanical properties of T6 treated Al—Mg2Si in-situ composite. Mater. Sci. Eng. A. 2018. No. 721. P. 263—273.

15. Li C., Liua X., Zhang G. Heterogeneous nucleating role of TiB2 or AlP/TiB2 coupled compounds on primary Mg2Si in Al—Mg—Si alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2008. No. 497. P. 432—437.

16. Tebib M., Samuel A.M., Ajersch F., Chen X.G. Effect of P and Sr additions on the microstructure of hypereutectic Al—15Si—14Mg—4Cu alloy. Mater. Charact. 2014. No. 89. P. 112—123.

17. Campbell J., Tiryakioglu M. Review of effect of P and Sr on modification and porosity development in Al—Si alloys. Mater. Sci. Technol. 2010. Vol. 26. Iss. 3. P. 262— 268.

18. Wang Y., Liu Q., Yang Z., Qiu C., Tan K. Effect of Ce addition and heat treatment on microstructure evolution and tensile properties of industrial A357 cast alloy. Metals. 2020. Vol. 10. No. 8. Art. 1100.

19. Czerwinski F. Cerium in aluminum alloys. J. Mater. Sci. 2020. No. 55. P. 24—72.

20. Jiang H., Li S., Zheng Q., Zhang L., He J., Song Y., Deng C., Zhao J. Effect of minor lanthanum on the microstructures, tensile and electrical properties of Al—Fe alloys. Mater. Design. 2020. Vol. 195. Art. 108991.

21. Zhao Y.G., Qin Q.D., Zhou W., Liang Y.H. Microstructure of the Ce-modified in situ Mg2Si/Al—Si—Cu. J. Alloys Compd. 2005. Vol. 389. Iss. 1—2. P. L1—L4.

22. Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. М.: Изд. дом «Руда и металлы», 2016.

23. Гуреева М.А., Овчинников В.В., Манаков И.Н. Металловедение: макро- и микроструктуры литейных алюминиевых сплавов. 2-е изд., пер. и доп. М.: Юрайт, 2020.

24. Lu Z., Li X., Zhang L. Thermodynamic description of Al— Si—Mg—Ce quaternary system in Al-rich corner and its experimental validation. J. Phase Equilibria Diffus. 2018. No. 39. P. 57—67.

25. Cui Z., Wu R. Phase diagram and properties of ternary Al—Mg—Ce alloys. Acta Metall. Sin. 1984. Vol. 20. Iss. 6. P. 323—331.

26. Grobner J., Kevorkov D., Schmid-Fetzer R. Thermodynamic modeling of Al—Ce—Mg phase equilibria coupled with key experiments. Intermetallics. 2002. Vol. 19. Iss. 5. P. 415—422.

27. Zhang J., Fan Z., Wang Y., Zhou B. Microstructural development of Al—15wt.%Mg2Si in situ composite 352 with mischmetal addition. Mater. Sci. Eng. A. 2000. No. 281. P. 104—112.