Влияние ротационной ковки на структуру и механические свойства двух эвтектических сплавов систем Al–La и Al–Ca–La

Разработанные в последние годы алюминиевые сплавы на основе эвтектики системы алюминий–кальций обладают превосходными литейными свойствами и, в отличие от силуминов, хорошо деформируются. Создание многокомпонентных сплавов, в которых кальций частично замещен лантаном, церием, никелем и другими эвтектикообразующими элементами, позволяет улучшать свойства сплавов за счет формирования более дисперсной эвтектики, а также повышать их теплостойкость. Все перечисленные сплавы можно упрочнять деформационными методами, при этом особенно эффективны методы больших пластических деформаций. Среди них ротационная ковка представляет наибольший интерес ввиду возможности получения длинномерных заготовок. Лантан в определенной концентрации эффективно повышает пластичность, поэтому сплав системы Al–La является наиболее подходящим для деформационной обработки. Было изучено влияние ротационной ковки на микроструктуру и механические свойства двух эвтектических сплавов: Al–10La и Al–6Ca–3La (мас. %). Ротационную ковку заготовок в исходно литом состоянии с начального диаметра 20 мм на конечный номинальный диаметр 5 мм осуществляли в изотермических условиях: для сплава Al–10La – при комнатной температуре, а для сплава Al–6Ca–3La – при t = 200 °С. Установлено, что в результате ротационной ковки структура обоих сплавов становится вытянутой, внутри дендритов формируются зерна микронного размера, а частицы эвтектики измельчаются. При этом в сплаве Al–10La наблюдается низкая плотность дислокаций, в то время как в сплаве Al–6Ca–3La – повышенная. Сплав Al–10La склонен к небольшому разупрочнению в условиях ротационной ковки, в отличие от сплава Al–6Ca–3La, который проявляет заметную тенденцию к деформационному упрочнению (прочность увеличивается в 2 раза); при этом оба сплава в состоянии после ковки сохраняют высокую пластичность (относительное удлинение). Уровень прочности обоих сплавов сохраняется после отжига при t = 300 °С. Предел прочности сплава Al–6Ca–3La при температуре испытания 300 °С выше в сравнении со сплавом Al–10La – соответственно 53 и 44 МПа. 

1. Ozturk K., Chen Long-Qing, Liu Zi-Kui. Thermodynamic assessment of the Al—Ca binary system using random solution and associate models. Journal of Alloys and Compounds. 2002;340(1—2):199—206. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(01)01713-3

2. Hawksworth A., Rainforth W.M., Jones H. Solidification microstructure selection in the Al-rich Al—La, Al—Ce and Al—Nd systems. Journal of Crystal Growth. 1999;197(1—2):286—296. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(98)00955-5

3. Cacciamani G., Ferro R. Thermodynamic modeling of some aluminium-rare earth binary systems: Al—La, Al— Ce and Al—Nd. Calphad. 2001;25(4):583—597. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00009-3

4. Czerwinski F. Cerium in aluminum alloys. Journal of Materials Science. 2020;55:24—72. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03892-z

5. Voroshilov D.S., Sidelnikov S.B., Bespalov V.M., Sokolov R.E., Bermeshev T.V., Berngardt V.A., Lezhnev S.N., Durnopyanov A.V., Kovaleva A.A., Konstantinov I.L., Novikova O.S., Motkov M.M. Combined rolling-extrusion of various billets from the Al—Ce—La alloy for electrical wire production. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024;131:4699—4725. https://doi.org/10.1007/s00170-024-13339-8

6. Belov N.A., Alabin A.N., Eskin D.G. Improving the properties of cold rolled Al—6%Ni sheets by alloying and heat treatment. Scripta Materialia. 2004;50(1):89—94. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2003.09.033

7. Cao Z., Kong G., Che Ch., Wang Y., Peng H. Experimental investigation of eutectic point in Al-rich Al—La, Al— Ce, Al—Pr and Al—Nd systems. Journal of Rare Earths. 2017;35(10):1022—1028. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(17)61008-1

8. Белов Н.А., Золоторевский В.С. Литейные сплавы на основе алюминиево-никелевой эвтектики (никалины) как возможная альтернатива силуминам. Цветные металлы. 2003;(2):99—105.

9. Rogachev S.O., Naumova E.A., Lukina E.A, Zavodov A.V., Khatkevich V.M. High strength Al—La, Al— Ce, and Al—Ni eutectic aluminum alloys obtained by high-pressure torsion. Materials. 2021;14(21):6404. https://doi.org/10.3390/ma14216404

10. He Y., Liu J., Qiu Sh., Deng Zh., Zhang J., Shen Y. Microstructure evolution and mechanical properties of Al— La alloys with varying La contents. Materials Science and Engineering: A. 2017;701:134—142. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.06.023

11. Murashkin M.Y., Sabirov I., Medvedev A.E., Enikeev N.A., Lefebvre W., Valiev R.Z., Sauvage X. Mechanical and electrical properties of an ultrafine grained Al—8.5 wt.% RE (RE = 5.4 wt.% Ce, 3.1 wt.% La) alloy processed by severe plastic deformation. Materials and Design. 2016;90:433—442. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.10.163

12. Shurkin P.K., Letyagin N.V., Yakushkova A.I., Samoshina M.E., Ozherelkov D.Y., Akopyan T.K. Remarkable thermal stability of the Al—Ca—Ni—Mn alloy manufactured by laserpowder bed fusion. Materials Letters. 2021;285:129074. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.129074

13. Belov N.A., Naumova E.A., Eskin D.G. Casting alloys of the Al—Ce—Ni system: microstructural approach to alloy design. Materials Science and Engineering: A. 1999;271(1—2):134—142. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(99)00343-3

14. Рогачев С.О., Наумова Е.А., Карелин Р.Д., Андреев В.А., Перкас М.М., Юсупов В.С., Хаткевич В.М. Структура и механические свойства эвтектического алюминиевого сплава Al—Ca—Mn—Fe—Zr—Sc после теплого равноканального углового прессования. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021;27(2):56—65. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-2-56-65

15. Xu R., Lu Y., Dai Y., Brognara A., Hahn H., Ivanisenko Y. Processing of high-strength thermal-resistant Al — 2.2 % cerium — 1.3 % lanthanum alloy rods with high electric conductivity by High Pressure Torsion Extrusion. Journal of Materials Science. 2024;59:9075—9090. https://doi.org/10.1007/s10853-024-09713-2

16. Duchaussoy A., Sauvage X., Edalati K., Horita Z., Renou G., Deschamps A., Geuser F.D. Structure and mechanical behavior of ultrafine-grained aluminum-iron alloy stabilized by nanoscaled intermetallic particles. Acta Materialia. 2019;167:89—102. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.01.027

17. Rogachev S.O., Andreev V.A., Yusupov V.S., Bondareva S.A., Hatkevich V.M., Nikolaev E.V. Effect of rotary forging on microstructure evolution and mechanical properties of aluminum alloy / copper bimetallic material. Metals and Materials International. 2022;28: 1038-1046. https://doi.org/10.1007/s12540-020-00964-7

18. Klumpp A., Kauffmann A., Seils S., Dietrich S., Schulze V. Influence of cold rotary swaging on microstructure and uniaxial mechanical behavior in alloy 718. Metallurgical and Materials Transactions A. 2021;52:2021—4331. https://doi.org/10.1007/s11661-021-06371-w

19. Асфандияров Р.Н., Рааб Г.И. Исследование метода ротационного обжатия в условиях больших деформаций. Вестник УГАТУ. 2016;20(3(73)):3—6. Asfandiyarov R.N., Raab G.I. Investigation of the method of rotary swaging under the conditions of large strains. Vestnik UGATU. 2016;20(3(73)):3—6. (In Russ.).

20. Akopyan T.K., Belov N.A., Lukyanchuk A.A., Letyagin N.V., Sviridova Т.А., Petrova A.N., Fortuna A.S., Musin A.F. Effect of high pressure torsion on the precipitation hardening in Al—Ca—La based eutectic alloy. Materials Science and Engineering: A. 2021;802:140633. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140633