Механические свойства и электропроводность холоднодеформированного сплава Al–Y–Sc–Er

Алюминиевые сплавы, легированные редкоземельными и переходными металлами, являются перспективными материалами для транспортировки электроэнергии ввиду высоких показателей прочности, термической стабильности и электропроводности. В работе определены особенности упрочнения, механические свойства и электропроводность сплава Al–0,2Y–0,2Sc–0,3Er после холодной прокатки. Литая структура сплава представлена алюминиевым твердым раствором (Al) и дисперсной эвтектикой с фазой τ₂ (Al_75-76Er_11-17Y_7-14) при полном растворении скандия в (Al) и содержании иттрия и эрбия на уровне 0,2–0,3 % каждого. Холодная прокатка слитка ускоряет упрочнение при отжиге при температурах 270 и 300 °C, уменьшая время достижения пиковой твердости. Максимальное упрочнение за счет выделения L1₂-дисперсоидов фазы Al₃(Sc,Y,Er) со средним размером частиц до 10 нм достигается после 7 ч отжига при температуре 300 °С после холодной прокатки, что говорит о превалировании гетерогенного механизма зарождения за счет дефектов, накопленных в процессе холодной прокатки, стимулирующих упрочнение. Частицы эвтектики располагаются преимущественно вдоль границ, вытягиваясь в направлении прокатки, и вне зависимости от режима получения листа сплав демонстрирует высокую термическую стабильность до 400 °С. В процессе отжига листов до 450 °С сохраняется нерекристаллизованная структура. Отжиг слитка при t = 300 °С в течение 7 ч и холодная прокатка с последующим отжигом в тех же условиях обеспечивают высокий уровень механических свойств и электропроводности: σ_0,2 = 194 МПа, σ_в = 210 МПа, δ = 12,1 % и IACS – 60,1 %. Сплав продемонстрировал высокую стабильность предела текучести вплоть до 100 ч отжига при t = 300 °С.

1. Drits M.E., Dutkiewicz J., Toropova L.S., Salawa J. The effect of solution treatment on the ageing processes of Al—Sc alloys. Crystal Research and Technology. 1984;19:1325—1330. https://doi.org/10.1002/crat.2170191014

2. Drits M.Ye., Ber L.B., Bykov Yu.G., Toropova L.S., Anastaseva G.K. Aging of alloy Al—0.3at.%Sc. Physics of Metals and Metallography. 1984;57(6):118—126.

3. Blake N., Hopkins M.A. Constitution and age hardening of Al—Sc alloys. Journal of Materials Science. 1985;20:2861—2867. https://doi.org/10.1007/BF00553049

4. Torma T., Kovács-Csetényi E., Turmezey T., Ungár T., Kovács I. Hardening mechanisms in Al—Sc alloys. Journal of Materials Science. 1989;24:3924—3927. https://doi.org/10.1007/bf01168955

5. Brodova I.G., Polents I.V., Korzhavina O.A., Popel P.S., Korshunov I.P., Esin V.O. Structural investigations of rapidly crystallized Al—Sc alloys. Melts Moscow. 1992;4(5):392—397.

6. Nakayama M., Furuta A., Miura Y. Precipitation of Al3Sc in Al—0.23wt.%Sc аlloy. Materials Transactions. 1997;38(10):852—857. https://doi.org/10.2320/matertrans1989.38.852

7. Norman A.F., Prangnell P.B., McEwen R.S. The solidification behaviour of dilute aluminium-scandium alloys. Acta Materialia. 1998;46:5715—5732. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(98)00257-2

8. Hyde K.B., Norman A.F., Prangnell P.B. The growth morphology and nucleation mechanism of primary L12 Al3Sc particles in Al—Sc alloys. Materials Science Forum. 2000;331-337:1013—1018. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.331-337.1013

9. 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. Materials Science and Engineering: A. 2000;280:30—36. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(99)00652-8

10. Jones M.J., Humphreys F.J. Interaction of recrystallization and precipitation: the effect of Al3Sc on the recrystallization behavior of deformed aluminium. Acta Materialia. 2003;51:2149—2159. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00002-8

11. Costa S., Puga H., Barbosa J., Pinto A.M.P. The effect of Sc additions on the microstructure and age hardening behaviour of as cast Al—Sc alloys. Materials and Design. 2012;42:347—352. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.06.019

12. Fuller C.B., Seidman D.N., Dunand D.C. Mechanical properties of Al(Sc,Zr) alloys at ambient and elevated temperatures. Acta Materialia. 2003;51(16):4803—4814. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00320-3

13. Robson J.D. A new model for prediction of dispersoid precipitation in aluminium alloys containing zirconium and scandium. Acta Materialia. 2004;52:1409—1421. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2003.11.023

14. Forbord B., Lefebvre W., Danoix F., Hallem H., Marthinsen K. Three dimensional atom probe investigation on the formation of Al3(Sc,Zr)-dispersoids in aluminium alloys. Scripta Materialia. 2004;51:333. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2004.03.033

15. Belov N.A., Alabin A.N., Eskin D.G., Istomin-Kastrovskii V.V. Optimization of hardening of Al—Zr—Sc cast alloys. Journal of Materials Science. 2006;41:5890—5899. https://doi.org/10.1007/S10853-006-0265-7

16. Knipling K.E., Karnesky R.A., Lee C.P., Seidman D.N. Precipitation evolution in Al—0.1Sc, Al—0.1Zr and Al— 0.1Sc—0.1Zr (at.%) alloys during isochronal aging. Acta Materialia. 2010;58(15):5184-5195. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.05.054

17. Song M., Fang Y. He S. Effects of Zr content on the yield strength of an Al—Sc alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2011;20:377—381. https://doi.org/10.1007/s11665-010-9693-2

18. Rokhlin L.L., Bochvar N.R., Leonova N.P. Study of decomposition of oversaturated solid solution in Al—Sc—Zr alloys at different ratio of scandium and zirconium. Inorganic Materials: Applied Research. 2011;2:517—520. https://doi.org/10.1134/S2075113311050170

19. McNamara C.T., Kampe S.L., Sanders P.G., Swenson D.J. The effect of cold work on the precipitation and recrystallization kinetics in Al—Sc—Zr alloys. Light Metals. 2013;379—382. https://doi.org/10.1007/978-3-319-65136-1_66

20. Guan R., Shen Y., Zhao Z., Wang X. A high-strength, ductile Al—0.35Sc—0.2Zr alloy with good electrical conductivity strengthened by coherent nanosized-precipitates. Journal of Materials Science and Technology. 2017;33:215—223. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.01.017

21. Liu L., Jiang J.-T., Zhang B., Shao W.-Z., Zhen L. Enhancement of strength and electrical conductivity for a dilute Al—Sc—Zr alloy via heat treatments and cold drawing. Journal of Materials Science and Technology. 2019;35(6):962—971. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.12.023

22. Harada Y., Dunand D.C. Microstructure of Al3Sc with ternary transition-metal additions. Materials Science and Engineering: A. 2002;329/331:686—695. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01608-2

23. Karnesky R.A., van Dalen M.E, Dunand D.C., Seidman D.N. Effects of substituting rare-earth elements for scandium in a precipitation-strengthened Al— 0.08at.%Sc alloy. Scripta Materialia. 2006;55(5):437— 440. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.05.021

24. van Dalen M.E., Dunand D.C., Seidman D.N. Nanoscale precipitation and mechanical properties of Al— 0.06at.%Sc alloys microalloyed with Yb or Gd. Journal of Materials Science. 2006;41:7814—7823. https://doi.org/10.1007/S10853-006-0664-9

25. Rokhlin L.L., Dobatkina T.V., Bochvar N.R., Lysova E.V., Tarytina I.E. Effect of yttrium and chromium on the recrystallization of Al—Sc alloys. Russian Metallurgy (Metally). 2007;335—339. https://doi.org/10.1134/s0036029507040131

26. Harada Y., Dunand D.C. Microstructure of Al3Sc with ternary transition-metal additions. Intermetallics. 2009;17(1-2):17—24. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2008.09.002

27. Karnesky R.A., Dunand D.C., Seidman D.N. Evolution of nanoscale precipitates in Al microalloyed with Sc and Er. Acta Materialia. 2009;57(14):4022—4031. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.04.034

28. Krug M.E., Werber A., Dunand D.C., Seidman D.N. Core—shell nanoscale precipitates in Al—0.06at.%Sc microalloyed with Tb, Ho, Tm or Lu. Acta Materialia. 2010;58(1):134—145. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.08.074

29. Rokhlin L.L., Bochvar N.R., Boselli J., Dobatkina T.V. Investigation of the phase relations in the Al-Rich alloys of the Al—Sc—Hf system in solid state. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2010;31:327—332. https://doi.org/10.1007/S11669-010-9710-Z

30. Van Dalen M.E., Dunand D.C., Seidman D.N. Microstructural evolution and creep properties of precipitation-strengthened Al—0.06Sc—0.02Gd and Al—0.06Sc— 0.02Yb (at.%) alloys. Acta Materialia. 2011;59(13):5224— 5237. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.04.059

31. Pozdniakov A.V., Barkov R.Yu. Microstructure and mechanical properties of novel Al—Y—Sc alloys with high thermal stability and electrical conductivity. Journal of Materials Science and Technology. 2020:1—6. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.08.006

32. Barkov R.Yu., Yakovtseva O.A., Mamzurina O.I., Loginova I.S., Medvedeva S.V., Proviryakov A. S., Mikhailovskaya A.V., Pozdniakov A.V. Effect of Yb on the Structure and Properties of an Electroconductive Al—Y—Sc Alloy. Physics of Metals and Metallography. 2020;121(6):604—609. https://doi.org/10.1134/S0031918X20060022

33. Barkov R.Yu., Mikhaylovskaya A.V., Yakovtseva O.A., Loginova I.S., Prosviryakov A.S., Pozdniakov A.V. Effects of thermomechanical treatment on the microstructure, precipitation strengthening, internal friction, and thermal stability of Al—Er— Yb—Sc alloys with good electrical conductivity. Journal of Alloys and Compounds. 2021;855(1):157— 367. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157367

34. Pozdniakov A.V., Barkov R.Yu., Prosviryakov A.S., Churyumov A.Yu., Golovin I.S., Zolotorevskiy V.S. Effect of Zr on the microstructure, recrystallization behavior, mechanical properties and electrical conductivity of the novel Al—Er—Y alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2018;765:1—6. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.163

35. Liu X., Du Y., Liu S., Cheng K., Zhang Z. Phase equilibria and crystal structure of ternary compounds in Al-rich corner of Al—Er—Y system at 673 and 873K. Journal of Materials Science and Technology. 2021;60:128—138. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.04.047

36. ASM Handbook. Properties and selection: Nonferrous alloys and special-purpose materials. V.2. The Materials Information Company, 2010.