Structure and properties of AL–Cu–Yb alloy with iron and silicon impurities

   The effect of iron and silicon impurities on the phase composition and properties of the Al–4.3Cu–2.2Yb quasi-binary alloy was determined. In addition to the aluminum solid solution and dispersed eutectic ((Al) + Al₈Cu₄Yb) containing about 1 % of dissolved iron, Al₃ Yb/(Al,Cu)₁₇Yb₂ and Al₈₀Yb₅Cu₆ Si₈ phases were identified in the cast alloy microstructure (the latter was not found in an alloy of a similar composition but without impurities). After homogenization annealing at t = 590 °C for 3 h, the structure is represented by compact fragmented and coagulated intermetallic compounds 1–2 μm in size, and a solid solution (Al) with a maximum copper content of 2.1 %. The hardness of deformed sheets significantly decreases after 30 min of annealing, and then changes slightly in the following 5.5 h of annealing at t = 150÷210 °C. After annealing at 180 °C (τ = 3 h), a substructure with a subgrain size of 200–400 nm is formed in the alloy structure. Rolled sheet softening occurs due to recovery and polygonization processes after annealing at temperatures up to 250 °C, and due to recrystallization after annealing at temperature above 300 °C. After annealing at 300 °C (τ = 1 h), the recrystallized grain size is 7 μm. The grain increases to 16 μm after annealing at t = 550 °C (τ = 1 h). The alloy under study has a high level of mechanical properties (conditional yield limit is 205–273 MPa, tensile strength is 215–302 MPa, relative elongation is 2.3–5.6 %) in the annealed state after rolling. Iron and silicon impurities do not lead to the formation of coarse lamellar intermetallic phases and do not reduce the ductility of the investigated alloy.

1. Zolotorevsky V. S., Belov N. A., Glazoff M. V. Casting aluminum alloys. Alcoa Technical Center, Alcoa Center, PA, US, 2007.

2. Белов Н. А. Структура и фазовый состав сплавов системы Al—Ce—Cu в области квазибинарного разреза Al—Al₈СeСu₄ Н. А. Белов, А. В. Хван // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2007. – No. 1. – С. 46—51 / Belov N. A., Khvan A. V. Structure and phase composition of alloys of the Al—Ce—Cu system in the region of the Al—Al₈CeCu₄ quasi-binary join. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2007. Vol. 48. P. 45—50.

3. Belov N. A., Khvan A. V., Alabin A. N. Microstructure and phase composition of Al—Ce—Cu alloys in the Al-rich corner. Mater. Sci. Forum. 2006. Vol. 519—521 (part 1). P. 395—400

4. Belov N. A., Khvan A. V. The ternary Al—Ce—Cu phase diagram in the aluminum-rich corner. Acta Mater. 2007. Vol. 55. P. 5473—5482.

5. Pozdniakov A. V., Barkov R. Y. Microstructure and materials characterisation of the novel Al—Cu—Y alloy. Mater. Sci. Tech. 2018. Vol. 34 (12). P. 1489—1496.

6. Амер С. М. Cравнительный анализ структуры и свойств квазибинарных сплавов Al—6,5Cu—2.3Y и Al—6Cu—4,05Er / С. М. Амер [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2020. – Т. 121. – No. 5. – С. 528—534 / Amer S. M., Barkov R. Yu., Yakovtseva O. A., Pozdniakov A. V. Comparative analysis of structure and properties of quasi-binary Al—6.5Cu—2,3Y and Al—6Cu—4.05Er alloys. Fizika metallov i metallovedenie. 2020. Vol. 121. No. 5. P. 528—534 (In Russ.).

7. Pozdniakov A. V., Barkov R. Yu., Amer S. M., Levchenko V. S., Kotov A. D., Mikhaylovskaya A. V. Microstructure, mechanical properties and superplasticity of the Al—Cu—Y—Zr alloy. Mat. Sci. Eng. A. 2019. Vol. 758. P. 28—35.

8. Амер С. М. Влияние Mn на фазовый состав и свойства сплава Al—Cu—Y—Zr / С. М. Амер, Р. Ю. Барков, А. В. Поздняков // Физика металлов и металловедение. – 2020. – Т. 121. – No. 12. – С. 1331—1337 / Amer S. M., Barkov R. Yu., Pozdniakov A. V. Effect of Mn on the phase composition and properties of Al—Cu—Y—Zr Alloy. Phys. Met. Metall. 2020. Vol. 121 (12). P. 1227—1232.

9. Амер С. М. Структура и свойства новых литейных жаропрочных сплавов на основе систем Al—Cu—Y и Al—Cu—Er / С. М. Амер [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2021. – Т. 122. – No. 9. – С. 977—983 / Amer S. M., Barkov R. Yu., Prosviryakov A. S., Pozdniakov A. V. Structure and properties of new heat-resistant cast alloys based on the Al—Cu—Y and Al—Cu—Er systems. Phys. Met. Metall. 2021. Vol. 122. P. 908—914.

10. Амер С. М. Структура и свойства новых деформируемых сплавов на основе систем Al—Cu—Y и Al—Cu—Er / С. М. Амер [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2021. – Т. 122. – No. 9. – С. 984—992 / Amer S. M., Barkov R. Yu., Prosviryakov A. S., Pozdniakov A. V. Structure and properties of new wrought Al—Cu—Y and Al—Cu—Er based alloys. Phys. Met. Metall. 2021. Vol. 122. P. 915—922.

11. Поздняков А. В. Эволюция микроструктуры и механических свойств нового деформируемого сплава системы Al—Cu—Er / А. В. Поздняков [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120. – No. 6. – С. 668—672 / Pozdnyakov A. V., Barkov R. Yu., Sarsenbaev Zh., Amer S. M., Prosviryakov A. S. Evolution of microstructure and mechanical properties of a new Al—Cu—Er wrought alloy. Phys. Met. Metall. 2019. Vol. 120 (6). P. 614—619.

12. Amer S. M., Barkov R. Yu., Yakovtseva O. A., Loginova I. S., Pozdniakov A. V. Effect of Zr on microstructure and mechanical properties of the Al—Cu—Er alloy. Mater. Sci. Technol. 2020. Vol. 36 (4). P. 453—459.

13. Amer S. M., Mikhaylovskaya A. V., Barkov R. Yu., Kotov A. D., Mochugovskiy A. G., Yakovtseva O. A., Glavatskikh M. V., Loginova I. S., Medvedeva S. V., Pozdniakov A. V. Effect of homogenization treatment regime on microstructure, recrystallization behavior, mechanical properties, and superplasticity of Al—Cu—Er—Zr alloy. JOM. 2021. Vol. 73 (10). P. 3092—3101.

14. Amer S., Yakovtseva O., Loginova I., Medvedeva S., Prosviryakov A. l., Bazlov A, Barkov R. Pozdniakov A. The phase composition and mechanical properties of the novel precipitation-strengthening Al—Cu—Er—Mn—Zr alloy. Appl. Sci. 2020. Vol. 10. P. 5345.

15. Amer S., Barkov R., Pozdniakov A. Microstructure and mechanical properties of novel quasibinary Al—Cu—Yb and Al—Cu—Gd alloys. Metals. 2021. Vol. 11. P. 476.

16. Амер С. М. Влияние примесей железа и кремния на фазовый состав и механические свойства сплава Al—6,3Cu—3,2Y / С. М. Амер, Р. Ю. Барков, А. В. Поздняков // Физика металлов и металловедение. – 2020. – Т. 121. – No. 10. – С. 1095—1100 / Amer S. M., Barkov R. Yu., Pozdniakov A. V. Effect of iron and silicon impurities on phase composition and mechanical properties of Al—6.3Cu—3.2Y alloy. Phys. Met. Metall. 2020. Vol. 121 (10). P. 1002—1007.

17. Амер С. М. Влияние примесей на фазовый состав и свойства деформируемого сплава Al—6%Cu—4,05%Er / С. М. Амер, Р. Ю. Барков, А. В. Поздняков // Физика металлов и металловедение. – 2020. – Т. 121. – No. 5. – С. 550—554 / Amer S. M., Barkov R. Yu., Pozdniakov A. V. Effect of impurities on the phase composition and properties of a wrought Al—6% Cu—4.05% Er alloy. Phys. Met. Metall. 2020. Vol. 121 (5). P. 495—499.

18. Барков М. В. Влияние примесей на фазовый состав и свойства сплава Al—Cu—Gd / М. В. Барков [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2022. – Т. 123. – No. 6. – С. 1—6 / Barkov M. V., Mamzurina O. I., Glavatskikh M. V., Barkov R. Yu., Pozdnyakov A. V. Influence of impurities on phase composition and properties of Al—Cu—Gd alloy. Fizika metallov i metallovedenie. 2022. Vol. 123. No. 6. P. 1—6 (In Russ.).

19. Vo N. Q., Dunand D. C., Seidman D. N. Improving aging and creep resistance in a dilute Al—Sc alloy by micro-alloying with Si, Zr and Er. Acta Mater. 2014. Vol. 63. P. 73—85.

20. De Luca A., Dunand D. C., Seidman D. N. Mechanical properties and optimization of the aging of a dilute Al—Sc—Er—Zr—Si alloy with a high Zr/Sc ratio. Acta Mater. 2016. Vol. 119. P. 35—42.

21. Booth-Morrison C., Seidman D. N., Dunand D. C. Effect of Er additions on ambient and high-temperature strength of precipitation-strengthened Al—Zr—Sc—Si alloys. Acta Mater. 2012. Vol. 60. P. 3643—3654.

22. Поздняков А. В. Влияние примесей Fe и Si на структуру и эффект упрочнения при отжиге сплава Al—0,2%Zr—0,1%Sc без и с добавкой Y / А. В. Поздняков [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2017. – Т. 118. – No. 5. – С. 507—512 / Pozdniakov A. V., Aytmagambetov А. А., Makhov S. V., Napalkov V. I. Effect of impurities of Fe and Si on the structure and strengthening upon annealing of the Al-0.2% Zr-0.1% Sc alloys with and without Y additive. Phys. Met. Metall. 2017. Vol. 118 (5). P. 479—484.

23. Поздняков А. В. Влияние примесей на фазовый состав и свойства нового сплава системы Al—Y—Er—Zr—Sc / А. В. Поздняков, Р. Ю. Барков // Металлург. – 2019. – No. 1. – С. 65—70 / Pozdnyakov A. V., Barkov R. Yu. Effect of impurities on the phase composition and properties of a new alloy of the Al—Y—Er—Zr—Sc system. Metallurgist. 2019. Vol. 63 (1—2). P. 79—86.

24. Wen S. P., Gao K. Y, Huang H., Wang W., Nie Z. R. Role of Yb and Si on the precipitation hardening and recrystallization of dilute Al—Zr alloys. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 599. P. 65—70.

25. Peng G., Chen K., Fang H., Chen S. A study of nanoscale Al3 (Zr,Yb) dispersoids structure and thermal stability in Al—Zr—Yb alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 535. P. 311— 315.

26. Барков Р. Ю. Влияние Yb на структуру и свойства электропроводного сплава Al—Y—Sc / Р. Ю. Барков [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2020. – Т. 121. – No. 6. – С. 667—672 / Barkov R. Y., Yakovtseva O. A., Mamzurina O. I., Loginova I. S., Medvedeva S. V., Proviryakov A. S., Mikhaylovskaya A. V., Pozdniakov A. V. Effect of Yb on the structure and properties of An electroconductive Al—Y—Sc alloy. Phys. Met. Metall. 2020. Vol. 121. No. 6. P. 604—609.

27. Nhon Q. Vo., Davaadorj B., Amirreza S., Evander R., Dunand D. C. Effect of Yb microadditions on creep resistance of a dilute Al—Er—Sc—Zr alloy. Materialia. 2018. Vol. 4. P. 65—69.

28. Van Dalen M. E., Gyger T., Dunand D. C., Seidman D. N. Effects of Yb and Zr microalloying additions on the microstructure and mechanical properties of dilute Al—Sc alloys. Acta Mater. 2011. Vol. 59. P. 7615—7626.

29. Fang H. C., Shang P. J., Huang L. P., Chen K. H., Liu G., Xiong X. Precipitates and precipitation behavior in Al—Zr—Yb—Cr alloys. Mater. Let. 2012. Vol. 75. P. 192—195.

30. Zhang Y., Zhou W., Gao H., Han Y., Wang K., Wang J., Sun B., Gu S., You W. Precipitation evolution of Al—Zr—Yb alloys during isochronal aging. Scr. Mater. 2013. Vol. 69. P. 477—480.

31. Fang H. C., Chen K. H., Chen X., Chao H., Peng G. S. Effect of Cr, Yb and Zr additions on localized corrosion of Al—Zn—Mg—Cu alloy. Corr. Sci. 2009. Vol. 51. P. 2872—2877.

32. Chen K. H., Fang H. C., Zhang Z., Chena X., Liu G. Effect of Yb, Cr and Zr additions on recrystallization and corrosion resistance of Al—Zn—Mg—Cu alloys. Mater. Sci. Eng. 2008 Vol. 497. P. 426—431.

33. Song M., Wu Z., He Y. Effects of Yb on the mechanical properties and microstructures of an Al—Mg alloy. Mater. Sci. Eng. 2008. Vol. 497. P. 519—523.

34. Поздняков А. В. Влияние Yb на фазовый состав и механические свойства сплавов Al—Mg—Mn—Zr—Sc и Al—Mg—Cr—Zr—Sc с низкой концентрацией скандия / А. В. Поздняков, Р. Ю. Барков, В. С. Левченко // Физика металлов и металловедение. – 2020. – Т. 121. – No. 1. – С. 93—98 / Pozdnyakov A. V., Barkov R. Yu., Levchenko V. S. Influence of Yb on the phase composition and mechanical properties of low-scandium Al—Mg—Mn—Zr—Sc and Al—Mg—Cr—Zr—Sc alloys. Phys. Met. Metall. 2020. Vol. 121 (1). P. 84—88.

35. Zolotorevskiy V. S., Pozdniakov A. V. Determining the hot cracking index of Al—Si—Cu—Mg casting alloys calculated using the effective solidification range. Int. J. Cast Met. Res. 2014. Vol. 27. No. 4. P. 193—198.

36. Золоторевский В. С. Поиск перспективных композиций для создания новых многофазных литейных сплавов на основе матрицы Al—Cu—Mg с использованием термодинамических расчетов и математического моделирования / В. С. Золоторевский, А. В. Поздняков, А. Ю. Чурюмов // Физика металлов и металловедение. – 2012. – Т. 113. – No. 11. – С. 1—10 / Zolotorevskii V. S., Pozdnyakov A. V., Churyumov A. Y. Search for promising compositions for developing new multiphase casting alloys based on Al—Zn—Mg matrix using thermodynamic calculations and mathematic simulation. Phys. Met. Metall. 2014. Vol. 115. No. 3. P. 286—294.

37. Шуркин П. К. Новый высокопрочный литейный алюминиевый сплав на основе системы Al—Zn—Mg—Ca—Fe, не требующий термообработки / П. К. Шуркин [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2020. – No. 1. – С. 48—58 / Shurkin P. K., Belov N. A., Musin A. F., Aksenov A. A. New high-strength casting Al—Zn—Mg—Ca—Fe-based aluminum alloy without heat treatment. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2020. Vol. 61. No. 2. P. 179—187.

38. Шуркин П. К. Влияние кальция и кремния на характер кристаллизации и упрочнение сплава Al—8%Zn—3%Mg / П. К. Шуркин [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2020. – Т. 121. – No. 2. – С. 149—156 / Shurkin P. K., Belov N. A., Musin A. F., Samoshina M. E. Effect of calcium and silicon on the character of solidification and strengthening of the Al—8%Zn— 3%Mg alloy. Phys. Met. Metall. 2020. Vol. 121. No. 2. P. 135—142.

39. Белов Н. А. Совместное влияние кальция и кремния на фазовый состав и структуру cплава Al—10%Mg / Н. А. Белов [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2017. – No. 6. – С. 53—62 / Belov N. A., Naumova E. A., Doroshenko V. V., Avxentieva N. N. Combined effect of calcium and silicon on the phase composition and structure of Al—10%Mg alloy. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2018. Vol. 59. P. 67—75.

40. Логинова И. С. Особенности структурообразования в сплаве системы Al—Fe—Mn при кристаллизации с различными скоростями охлаждения / И. С. Логинова [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2020. – No. 6. – С. 76—86 / Loginova I. S., Sazera M. V., Popov N. A., Pozdnyakov A. V., Solonin A. N. Features of structure formation in an Al—Fe—Mn alloy upon crystallization with various cooling rates. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2021. Vol. 62. P. 72—81.

41. Белов Н. А. Влияние скандия на фазовый состав и упрочнение литейных алюминиевых сплавов системы Al—Ca—Si / Н. А. Белов [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2016. – No. 5. – С. 61—68 / Belov N. A., Naumova E. A., Doroshenko V. V., Bazlova T. A. Effect of scandium on the phase composition and hardening of casting aluminum alloys of the Al—Ca—Si system. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2016. Vol. 57. P. 695—702.

42. Белов Н. А. Первичная кристаллизация интерметаллидов в системе Al—Fe—Mn—Ni—Si применительно к литейным сплавам на основе алюминиевоникелевой эвтектики / Н. А. Белов [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2014. – No. 3. – С. 45—50 / Belov N. A., Alabin A. N., Sannikov A. V., Deev V. B. Primary crystallization in the Al—Fe—Mn—Ni—Si system as applied to casting alloys based on aluminum-nickel eutectic. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2014 Vol. 55. P. 356—364.

43. Huang G., Liu L., Zhang L., Jin Z. Thermodynamic description of the Al—Cu—Yb ternary system supported by first-principles calculations. J. Min. Metall., Sect. B. 2016. Vol. 52. P. 177—183.