Эволюция структуры высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca), получаемых с использованием технологии электромагнитного литья : отчет о НИР
Библиографическое описание:Эволюция структуры высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca), получаемых с использованием технологии электромагнитного литья : отчет о НИР / В. Н. Тимофеев. - , 2022. - (Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами ; 22-19-00128). - Б. ц. - Текст : непосредственный.
Аннотация:С использованием расчетных и экспериментальных методов обоснован состав сплавов на основе систем Al–Zn–Mg–Ni–Fe и Al–Zn–Mg–Ca–Fe и технология получения из них длинномерных заготовок методом литья в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК).?С использование программных продуктов ANSYS Fluent и "Used-Defined Function» выполнена постановка задачи моделирования и соответствующая настройка численной модели на выполнение поисковых расчетов режимов литья слитков диаметром до 32 мм. Найдена совокупность технологических параметров, обеспечивающих стабильное формирование алюминиевого слитка с достижением максимальной производительности, Выполнен анализ специальных параметров настройки модели, не имеющих справочных значений или точных рекомендаций по их выбору, а именно, коэффициента двухфазной зоны и интервала кристаллизации. Выполнен анализ влияния изменения технологических параметров в узком диапазоне и показан характер соответствующих изменений в физических процессах, протекающих в жидкой фазе слитка и в процессе его кристаллизации.??Проведен расчет фазового состава сплавов систем Al–Zn–Mg–Ni–Fe–Si и Al–Zn–Mg–Ca–Fe–Si в программе Thermo-Calc (версия TCW5) при использовании база данных TTAL5. Согласно распределению элементов между фазами в сплавах системы Al-Zn-Mg-Ni-Fe-Si, практически все элементы рассматриваемой системы могут входить в разные фазы. В частности, железо может входить в фазы Al3Fe, Al9FeNi, Al8FeSi2, Al5FeSi. Из перечисленных фаз желательной является фаза Al9FeNi. Не менее сложное распределению элементов между фазами установлено и для сплавов системы Al-Zn-Mg-Ca-Fe-Si. Согласно ему железо может входить в состав 4 фаз: Al3Fe, Al10CaFe2, Al8FeSi2, Al5FeSi. При этом в отличие от первой системы в данной системе имеется тройное соединение, содержащее Ca и Si: Al2CaSi2. Общим между двумя рассматриваемыми системами является то, что вторичные выделения (а именно они должны вносить основной вклад в упрочнение сплава после полной термической обработки) представлены только двумя фазами, содержащими цинк и магний: T (Al2Mg3Zn3) и M (MgZn2), а точнее их метастабильными модификациями. Количество этих фаз зависит главными образом от соотношения Zn и Mg. Расчет поверхностей ликвидуса, политермических и изотермических сечений, а также состава фаз и температур фазовых превращений подтверждает сложность фазового состава сплавов рассматриваемых 6-компонентных систем. Неравновесная кристаллизация приводит к изменению фазового состава по сравнению с равновесным. Однако при всей сложности формирования фаз в процессе кристаллизации, ее окончание во всех сплавах рассматриваемых систем легирования определяется неравновесной эвтектикой при 482 °С. ?Обобщение результатов расчета позволило обосновать состав экспериментальных сплавов: Al–7,1%Zn–2,8%Mg–1,4%Ni–1,1%Fe и Al–8,7%Zn–3,6%Mg–1,1%Ca–1,1%Fe (мас.%) (далее Никалин и Альцимак соответственно).Концентрации цинка и магния в данных сплавах близки к их предельной растворимости в алюминиевом твердом растворе. При этом учитывали растворимость цинка в фазе Al4Caв сплаве Альцимак. Концентрации никеля и кальция должны полностью связать железо в тройные соединения: Al9FeNi в сплаве Никалин и Al10CaFe2,в сплаве Альцимак.?Определены технологические параметры литья слитков и выработаны рекомендации по подготовке и проведению процесса литья в электромагнитный кристаллизатор слитков диаметром до 32 мм. Процесс литья сплавов Никалин и Альцимак прошел в штатном режиме, аварийных ситуаций замечено не было, варьирование параметров работы источника питания позволило получить непрерывно-литые длинномерных заготовок с различными диаметрами: Никалин – 8 мм, 14 мм и 32 мм, Альцимак –10 мм, 16 мм и 32 мм (до 5 килограмм каждого типоразмера).На основании теоретических и экспериментальных исследований для сплавов Никалин и Альцимак установлено, что отклонение теоретически определенных параметров математическим моделированием от параметров, полученных в результате эксперимента, лежит в пределах 15%.?Из длинномерных непрерывно-литых заготовок сплавов Никалин и Альцимак, полученных методом ЭМК, были вырезаны образцы для изучения их структуры и фазового состава, которые проводили использованием методов световой (ОМ) электронной сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) микроскопии, а также микрорентгеноспектрального анализа (МРСА). Установлено, что метод ЭМК благодаря высокой скорости кристаллизации позволяет получить в литом состоянии высокодисперсную структуру, в которой размер дендритной ячейки составляет: 2,57 мкм, 3,05 мкм, 3,18 мкм, 3,70 мкм и 7,31 мкм для диаметров ЭМК заготовки 8, 10, 14, 16 и 32 мм. Все количество железа связано в эвтектические включения Fe-содержащих фаз (Al9FeNi в Никалине и Al10CaFe2 в Альцимаке). Высокая скорость охлаждения, реализуемая в методе ЭМК, приводит к расширению области первичной кристаллизации (Al) по сравнению поверхностью ликвидуса, рассчитанной для равновесных условий. Поэтому литая структура сплавов Никалин и Альцимак доэвтектическая. Микроструктура заготовок характеризуется высокой однородностью по всему сечению.? Изучено влияния режима гомогенизации на структуру литых прутков, полученных методом ЭМК. Нагрев при 450 °С в течение 3 часов приводит к полному растворению Zn и Mg в (Al). Это согласуется с изотермическим разрезом системы Al–Zn–Mg–Fe–Ni, рассчитанным при 1,4%Ni, 1,1%Fe и 450 °С, поскольку точка, отвечающая составу экспериментального сплава, попадает в фазовую область (Al)+Al9FeNi. При этом морфология эвтектических включения фазы Al9FeNi меняется незначительно. Поскольку данная фазовая область существует в широком температурном диапазоне, а именно между температурами сольвуса (443 °С) и равновесного солидуса (559 °С), то была также проведена термообработка по 2-ступенчатому режиму: 450 °С, 3 ч +500 °С, 3 ч. Выявлено, что такой режим привел к значительной сфероидизации частиц Al9FeNi. Согласно предыдущим работам по сплавам системы Al–Zn–Mg–Fe–Ni именно такая структура позволяет обеспечить высокую деформационную пластичность. Аналогичные исследования были проведены и для сплава Альцимак. ?Проведен анализ возможных способов деформационной обработки высокопрочных сплавов 7ХХХ серии, описаны технологические свойства сплавов и особенности их деформации. Последнюю экспериментально оценивали с использованием метолов продольной прокатки, радиально-сдвиговой прокатки (РСП) и волочения. Экспериментальные исследования проводили на основе результатов компьютерного моделирования деформации в программе QForm 3D. Предварительные эксперименты по деформации заготовок из сплавов Al–Zn–Mg–Ni–Fe и Al–Zn–Mg–Ca–Fe показали, что способ электромагнитного литья со сверхбыстрым затвердеванием обеспечивает получение качественной макро- и микроструктуры и позволяет деформировать данные сплавы стандартными промышленными способами прокатки (продольной и радиально-сдвиговой). Полученные образцы прутков диаметром 10 мм с суммарным коэффициентом вытяжки более 10 и полосы толщиной 1 мм с суммарным коэффициентом вытяжки более 8 (суммарное относительное обжатие 93,75 %).??Изучено влияние температуры старения (после закалки) на твердость экспериментальных сплавов Никалин и Альцимак в виде ЭМК прутков и лент. Показано, что максимум твердости (~190 HV) наблюдается при 125-150 °С, что обусловлено формированием вторичных выделений метастабильной фазы T (Al,Zn,Mg) размером менее 20 нм. Сочетание высокой твердости и деформационной пластичности предполагает достижение высоких механических свойств и свидетельствует о перспективности технологии ЭМК к экспериментальным сплавам, содержащим более 1%Fe.??Таким образом, длинномерные заготовки сплавов Никалин и Альцимак, полученные методом ЭМК и подвергнутые гомогенизации, являются подходящими объектами для получения деформированных полуфабрикатов с высокими прочностными свойствами.
