Исследование влияния фазового состава на термическое расширение и механические свойства сплавов Al–Сu–Li

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. 

1. Saringer 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.2019.05.026

2. Chen 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.2010.05.015

3. Yong 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.2022.100009

4. Dongyu 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.2020.05.048

5. Niu 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.2022.04.083

6. Keith 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.2021.100071

7. Kazuma 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.2020.07.027

8. Abhijith 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.2022.129132

9. Josef 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.2022.11.046

10. Huanbei 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.2021.109897

11. Hani 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.e04501

12. Pikea 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.2019.05.045

13. Guo 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.2020.123260

14. Wang 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.2021.163422

15. Ningning 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.2021.102894

16. Бецофен 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.

17. Ашмарин 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.

18. Бецофен 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.

19. Каблов 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.

20. Каблов 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.

21. Бецофен 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.