Алюмоматричныи естественный композиционный материал на основе системы Al-Ca-Ni-La-Fe

С использованием расчетного анализа в программе Thermo-Calc, включая построение поверхностей ликвидуса и политермических разрезов системы Al—Ca—Ni—La—Fe, а также экспериментального анализа микроструктуры методом сканирующей электронной микроскопии уточнена концентрационная область первичной кристаллизации алюминиевого твердого раствора (Al), которая может рассматриваться в качестве перспективной для получения новых алюмоматричных естественных композиционных материалов эвтектического типа, содержащих в структуре свыше 20 об.% интерметал-лидных частиц. Исследование микроструктуры перспективной композиции состава, мас.%: Al—4Ca—2Ni—1La—0,6Fe выявило, что согласно расчету она содержит до 23 об.% интерметаллидных фаз Al₄Ca и Al₄FeNi эвтектического происхождения, отдельные кристаллы которых в составе эвтектики имеют субмикронные размеры: длину 250—400 нм и толщину 100 — 200 нм. Также установлено, что предсказанная термодинамическим расчетом интерметаллидная фаза Al₄La не образуется, а сам лантан полностью растворяется в кальцийсодержащей фазе Al₄Ca. Анализ микроструктуры и твердости в процессе ступенчатого отжига показал, что совместное легирование сплава Al—4Ca—2Ni—1La—0,6Fe цирконием и скандием (0,2 % Zr и 0,1 % Sc) ведет к дисперсионному твердению за счет распада твердого раствора (Al) и дальнейшего формирования когерентных наночастиц фазы L1₂— Al₄(Zr, Sc) размером до 20 нм. Результаты исследования механических свойств при испытаниях на одноосное растяжение цилиндрических отливок из сплава Al—4Ca—2Ni— 1La— 0,6Fe—0,2Zr—0,1Sc показали относительно высокий уровень прочностных характеристик (σ_t = 265 МПа, σ_0,2 = 177 МПа) при сохранении приемлемого для композиционного материала удлинения (~2 %). Таким образом, на основе полученных данных показана перспективность применения системы Al—Ca—Ni—La—Fe для получения новых алюмоматричных естественных композиционных материалов.

1. Polmear I.J. Light metals: From traditional alloys to nanocrystals. 4-th ed. Elsevier, 2005.

2. Amouri K., Kazemi Sh., Momeni A., Kaz,az.i M. Microstructure and mechanical properties of Al-nano/micro SiC composites produced by stir casting technique. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 674. P. 569-578.

3. Jianke Liu, Chuxuan Liang. Microstructure characterization and mechanical properties of bulk nanocrystalline aluminium prepared by SPS and followed by hightem-perature extruded techniques. Mater. Lett. 2017. Vol. 206. P. 95-99.

4. Mobasherpour I., Tofigh A.A., Ebrahimi M. Effect of nano-size А120з reinforcement on the mechanical behavior of synthesis 7075 aluminum alloy composites by mechanical alloying. Mater. Chem. Phys. 2013. Vol. 138. P. 535-541.

5. Yang Xue, Rujuan Shen, Song Ni, Min Song, Daihong Xiao. Fabrication, microstructure and mechanical properties of Al-Fe intermetallic particle reinforced Al-based composites. J. Alloy Compd. 2015. Vol. 618. P. 537-544.

6. Chaubey A.K., Scudino S, Mukhopadhyay N.K., Sama-di Khoshkhoo M, Mishrac B.K., Eckerta J. Effect of particle dispersion on the mechanical behavior of Al-based metal matrix composites reinforced with nanocrystalline Al-Ca intermetallics. J. Alloy Compd. 2012. Vol. 536. P. 134-137.

7. Belov N.A., Naumova E.A., Eskin D.G. Casting alloys of the Al-Ce-Ni system: Microstructural approach to alloy design. Mater. Sci. Eng. A. 1999. Vol. 271. P. 134-142.

8. Kakitani R, Reyes R.V, Garcia A., Spinelli J.E., Cheung N. Relationship between spacing of eutectic colonies and tensile properties of transient directionally solidified Al Ni eutectic alloy. J. Alloy Compd. 2018. Vol. 733. P. 59-68.

9. Yurong Jiang, Xi Shi, Xiaoheng Bao, Ye He, Shuaixiong Huang, Di Wu, Weimin Bai, Libin Liu and Ligang Zhang. Experimental investigation and thermodynamic assessment of Al-Ca-Ni ternary system. J. Mater. Sci. 2017. Vol. 52. P. 12409-12426.

10. Ratke L., Alkemper J. Ordering of the fibrous eutectic microstructure of Al±Al3Ni due to accelerated solidification conditions. Acta Mater. 2000. Vol. 48. P. 1939-1948.

11. Xi Li, Yves Fautrelle, Zhongming Ren, Yudong Zhang, Claude Esling. Effect of a high magnetic field on the Al-Al3Ni fiber eutectic during directional solidification. Acta Mater. 2010. Vol. 58. P. 2430-2441.

12. Kashyap S., Tiwary C.S., Chattopadhyay K. Microstructure and mechanical properties of oxidation resistant suction cast Nb-Si-Al alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 559. P. 74-85.

13. Tiwary C.S., Kashyap S., Kim D.H., Chattopadhyay K. Al based ultra-fine eutectic with high room temperature plasticity and elevated temperature strength. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 639. P. 359-369.

14. Akopyan T.K., Belov N.A., Naumova E.A., Letyagin N.V. New in-situ Al matrix composites based on Al-Ni-La eutectic. Mater. Lett. 2019. Vol. 245. P. 110-113.

15. Belov N.A., Naumova E.A., Alabin A.N., Matveeva I.A. Effect of scandium on structure and hardening of Al-Ca eutectic alloys. J. Alloy Compd. 2015. Vol. 646. P. 741-747.

16. Belov N.A., Naumova E.A., Akopyan T.K., Doroshenko V.V. Phase diagram of the Al-Ca-Fe-Si system and its application for the design of aluminum matrix composites. JOM. 2018. Vol. 70. P. 2710-2715

17. Bacaicoa I., Wicke M., Luetje M., Zeismann F., Brueck-ner-Foit A., Geisert A., Fehlbier M. Characterization of casting defects in a Fe-rich Al-Si-Cu alloy by microtomography and finite element analysis. Eng. Fract. Mech. 2017. Vol. 183. P. 159-169.

18. Ma Z., SamuelA.M., Doty H.W, Valtierra S., Samuel F.H. Effect of Fe content on the fracture behaviour of Al- Si-Cu cast alloys. Mater. Design. 2014. Vol. 57. P. 366-373.

19. Puncreobutr C., Lee P.D., Kareh K.M., Connolley T., Fife J.L., Phillion A.B. Influence of Fe-rich intermetallics on solidification defects in Al-Si-Cu alloys. Acta. Mater. 2014. Vol. 68. P. 42-51.

20. Shurkin P.K., Dolbachev A.P., Naumova E.A., Doroshenko V.V. Effect of iron on the structure, hardening and physical properties of the alloys of the Al-Zn-Mg-Ca system. Tsvet. Metally. 2018. No. 5. P. 69-77.

21. Shurkin P.K., Belov N.A., Akopyan T.K., Alabin A.N., Aleshchenko A.S., Avxentieva N.N. Formation of the structure of thin-sheet rolled product from a high-strength sparingly alloyed aluminum alloy «nikalin». Phys. Metal. Metallograph. 2017. Vol. 118. No. 9. P. 896-904.

22. Белов Н.А., Наумова Е.А., Дорошенко В.В., Авксентьева Н.Н. Совместное влияние кальция и кремния на фазовый состав и структуру стлава Al-10%Mg. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2017. No. 6. С. 53-62.

23. Mann V.Kh., Alabin A.N., Krokhin A.Yu., Frolov A.V, Belov N.A. New generation of high strength aluminum casting alloys. Light Metal Age. 2015. Vol. 73. No. 5. P. 44-47.

24. KniplingK.E., Karnesky R.A., Lee C.P., DunandD.C., Seid-man D.N. Precipitation evolution in Al-0.1Sc, Al-0.1Zr and Al-0.1Sc-0.1Zr (at.%) alloys during isochronal ageing. Acta Mater. 2010. Vol. 58. P. 5184-5195.

25. Clouet E., Barbu A., Lae L., Martin G. Precipitation kinetics of Al3Zr and Al3Sc in aluminum alloys modeled with cluster dynamics. Acta Mater. 2005. Vol. 53. P. 23132325.

26. Zhou W.W., Cai B., Li W.J., Liu Z.X., Yang S. Heatresistant Al—0.2Sc—0.04Zr electrical conductor. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 552. P. 353-358.

27. Booth-Morrison C., Mao Z, DiazM., DunandD.C., Wolver-ton C, Seidman D.N. Role of silicon in accelerating the nucleation of Al3(Sc, Zr) precipitates in dilute Al-Sc-Zr alloys. Acta Mater. 2012. Vol. 60(12). P. 4740-4752.

28. Sumiha Ikeshita, Ansis Strodahs, Zineb Saghi. Hardness and micro structural variation of Al-Mg-Mn-Sc-Zr alloy. Micron. 2016. Vol. 82. P. 1-8.

29. Lefebvre W., Danoix F, Hallem H, Forbord B, Bostel A., Marthinsen K. Precipitation kinetic of Al3(Sc, Zr) dis-persoids in aluminium. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 470. P. 107-110.

30. BelovN.A., BatyshevK.A., Doroshenko V.V. Microstructure and phase composition of the eutectic Al-Ca alloy, additionally alloyed with small additives of zirconium, scandium and manganese. Non-Ferr. Met. 2017. Vol. 43. No. 2. P. 49-54.

31. 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 Mater. 2004. Vol. 50. P. 89-94.

32. Naumova E.A., Akopyan T.K., Letyagin N.V, Vasina M.A. Investigation of the structure and properties of eutectic alloys of the Al-Ca-Ni system containing REM. Non-Ferr. Met. 2018. No. 2. P. 25-30.

33. Glazoff M.V, Khvan A.V, Zolotorevsky V.S, Belov N.A., DinsdaleA.T. Casting aluminum alloys. their physical and mechanical metallurgy. Oxford: Elsevier, 2019.

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

35. Deev V.B., Prusov E.S., Kutsenko A.I. Theoretical and experimental evaluation of the effectiveness of aluminum melt treatment by physical methods. Metal. Ital. 2018. No. 2. P. 16-24.

36. Деев В.Б., Пономарева К.В., Приходько О.Г., Смета-нюк С.В. Влияние температур перегрева и заливки расплава на качество отливок из алюминиевых сплавов при литье по газифицируемым моделям. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2017. No. 3. С. 65-71.

37. Белов Н.А., Белов В.Д, Савченко С.В. Поршневые силумины. М.: Руда и металлы, 2011.

38. Belov N.A., Alabin A.N., Eskin D.G., Istomin-Kastrovs-kiy V.V. Optimization of hardening of Al-Zr-Sc casting alloys. J. Mater. Sci. 2006. Vol. 41. P. 5890-5899.

39. Deschamp A., Guyo P. In situ small-angle scattering study of the precipitation kinetics in an Al-Zr-Sc alloy. Acta Mater. 2007. Vol. 55. P. 2775-2783.

40. 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.

41. Lefebvre W., Danoix F, Hallem H, Forbord B, Bostel A., Marthinsen K. Precipitation kinetic of Al3(Sc, Zr) dis-persoids in aluminium. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 470. P. 107-110.