Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия¹ ; Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва, Россия²:

Т. К. Акопян, старший научный сотрудник кафедры «Обработка металлов давлением» (ОМД)¹, научный сотрудник лаборатории № 30², канд. техн. наук, эл. почта: aktorgom@gmail.com

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

Н. В. Летягин, ведущий инженер научного проекта кафедры ОМД, канд. техн. наук

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва, Россия:
А. Г. Падалко, заведующий лабораторией № 30, докт. хим. наук
М. С. Пыров, инженер-исследователь лаборатории № 30

Изучено влияние повышенного внешнего давления, реализуемого в процессе баротермической обработки (БТО), на алюминиевый сплав Al – 7 Si – 3,5 Cu – 0,1 Sn типа А319, содержащий малую добавку олова. Дифференциальным баротермическим анализом при давлении 100 МПа установлено повышение температур фазовых переходов сплава от 8 до 11 ^oC. Методом сканирующей электронной микроскопии установлено, что после термической обработки (ТО) при температуре 505 ^oC и баротермической обработки (БТО) при давлении 100 МПа/505 ^oC/3 ч в результате развития термически активируемых процессов фрагментации и сфероидизации элементы микроструктуры сплава — эвтектические кристаллы избыточных фаз (Si и α(Al(MnFe)Si) — приобретают более компактную морфологию, близкую к сферической, со средним диаметром частиц 5–10 мкм. Испытания на одноосное растяжение образцов сплава, подвергнутых БТО и последующей упрочняющей ТО по режиму Т6 (на максимальную прочность), выявили повышенный уровень механических свойств отливки: предел прочности 408 МПа, предел текучести 334 МПа, относительное удлинение 3,1 % по сравнению со стандартным уровнем, характерным для данной группы сплавов без малой добавки олова. Анализ поверхности разрушения образцов после механических испытаний на одноосное растяжение выявил стандартное мелкоямочное строение изломов с частицами вторых фаз на дне ямок. Наличие малой добавки легкоплавкой составляющей в рассмотренных концентрационных пределах не приводит к хрупкому межкристаллитному разрушению, кроме того, разрушение не вызвано и наличием избыточной пористости газоусадочного происхождения, характерной для отливок, не подвергнутых горячему изостатическому прессованию (ГИП). Методом просвечивающей электронной микроскопии исследована тонкая структура сплава после полного цикла термической обработки, включающей ГИП и последующую ТО по режиму Т6. Выявлено формирование дисперсной структуры продуктов распада — пластинчатых выделений метастабильной фазы θ'-фазы, формирующихся в виде пластин длиной ~(50–70) нм и толщиной 3–5 нм, при повышенной плотности распределения. Полученное сочетание свойств позволяет рассматривать новую группу сплавов Al – Si – Cu – Sn в качестве перспективных материалов для изготовления деталей и изделий ответственного назначения, включая ДВС нового поколения.

Исследование выполнено при поддержке государственного задания 075-00715-22-00 (ДБА, ДСК, ГИП-обработка). Структура исследована на оборудовании Центра коллективного пользования «Материаловедение и металлургия», приобретенного при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (ГК 075-15-2021-696).

1. Polmear I. J. Light alloys: from traditional alloys to nanocrystals. Butterworth-Heinemann. Oxford, 2006. 421 p.
2. Li Z., Limodin N., Tandjaoui A., Quaegebeur P., Witz J.-F. et al. In-situ 3D characterization of tensile damage mechanisms in A319 aluminium alloy using X-ray tomography and digital volume correlation. Materials Science and Engineering: A. 2020. Vol. 794. 139920.

3. Rincon E., Lopez H. F., Manchac H. Temperature effects on the tensile properties of cast and heat treated aluminum alloy A319. Materials Science and Engineering: A. 2009. Vol. 519. pp. 128–140.
4. Mo D.-F., He G.-Q., Hu Z.-F., Liu X.-S., Zhang W.-H. Effect of microstructural features on fatigue behavior in A319-T6 aluminum alloy. Materials Science and Engineering: A. 2010. Vol. 527, Iss. 15. pp. 3420–3426.
5. Akopyan T. K., Belov N. A., Letyagin N. V., Milovich F. O., Lukyanchuk A. A. et al. Influence of indium trace addition on the microstructure and precipitation hardening response in Al – Si – Cu casting aluminum alloy. Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 831. 142329.
6. Akopyan T. K., Belov N. A., Lukyanchuk A. A., Letyagin N. V., Milovich F. O. et al. Characterization of structure and hardness at aging of the A319 type aluminum alloy with Sn trace addition. Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 921. 166109.
7. Shurkin P. K., Akopyan T. K., Letyagin N. V. Effect of indium microaddition on the structure and strengthening of binary Al – Cu alloys. Physics of Metals and Metallography. 2021. Vol. 122. pp. 807–813.
8. Houria I. M., Nadot Y., Fathallah R., Roy M., Maijer D. M. Influence of casting defect and SDAS on the multiaxial fatigue behaviour of A356-T6 alloy including mean stress effect. International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 80. pp. 90–102.
9. Ceschini L., Morri A., Toschi S., Seifeddine S. Room and high temperature fatigue behaviour of the A354 and C355 (Al – Si – Cu – Mg) alloys: role of microstructure and heat treatment. Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 653. pp. 129–138.
10. Wang Q. G., Davidson C. J. Solidification and precipitation behaviour of Al – Si – Mg casting alloys. Journal of Materials Science. 2001. Vol. 36. pp. 739–750.
11. Han S.-W., Kumai S., Sato A. Effects of solidification structure on short fatigue crack growth in Al – 7% Si – 0.4% Mg alloy castings. Materials Science and Engineering: A. 2002. Vol. 332. pp. 56–63.
12. Mansurov Yu. N., Aksenov A. A., Reva V. P. Influence of the chill-mold casting process on the structure and properties of aluminum alloys with eutectic constituents. Tsvetnye Metally. 2018. No. 5. pp. 77–81.
13. Wang Q. G., Apelian D., Lados D. A. Fatigue behavior of A356-T6 aluminum cast alloys. Part I. Effect of casting defects. Journal of Light Metals. 2001. Vol. 1. pp. 73–84.
14. Bufe`re J.-Y., Savelli S., Jouneau P. H., Maire E., Fougeres R. Experimental study of porosity and its relation to fatigue mechanisms of model Al – Si7 – Mg0.3 cast Al alloy. Materials Science and Engineering: A. 2001. Vol. 316, Iss. 1-2. pp. 115–126.
15. Hafenstein S., Werner E. Pressure dependence of age-hardenability of aluminum cast alloys and coarsening of precipitates during hot isostatic pressing. Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 757. pp. 62–69.
16. Cai C., He S., Li L., Teng Q., Song B. et al. In-situ TiB/Ti – 6 Al – 4 V composites with a tailored architecture produced by hot isostatic pressing: microstructure evolution, enhanced tensile properties and strengthening mechanisms. Composites. Part B. Engineering. 2019. Vol. 164. pp. 546–558.
17. Yu H., Li F., Wang Z., Zeng X. Fatigue performances of selective laser melted Ti – 6 Al – 4 V alloy: influence of surface finishing, hot isostatic pressing and heat treatments. International Journal of Fatigue. 2019. Vol. 120. pp. 175–183.
18. Cai C., Song B., Xue P., Wei Q., Wu J.-m. et al. Effect of hot isostatic pressing procedure on performance of Ti6Al4V: surface qualities, microstructure and mechanical properties. Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 686. pp. 55–63.
19. Kreitcberg A., Brailovski V., Turenne S. Effect of heat treatment and hot isostatic pressing on the microstructure and mechanical properties of Inconel 625 alloy processed by laser powder bed fusion. Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 689. pp. 1–10.
20. Takata N., Kodaira H., Sekizawa K., Suzuki A., Kobashi M. Change in microstructure of selectively laser melted AlSi10Mg alloy with heat treatments. Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 704. pp. 218–228.
21. Fousova M., Dvorský D., Michalcova A., Vojtech D. Changes in the microstructure and mechanical properties of additively manufactured AlSi10Mg alloy after exposure to elevated temperatures. Materials Characterization. 2018. Vol. 137. pp. 119–126.
22. Li X. P., Wanga X. J., Saunders M., Suvorova A., Zhang L. C. et al. A selective laser melting and solution heat treatment refined Al – 12 Si alloy with a controllable ultrafine eutectic microstructure and 25% tensile ductility. Acta Materialia. 2015. Vol. 95. pp. 74–82.
23. Prashanth K. G., Scudino S., Klauss H. J., Surreddi K. B., Lober L. et al. Microstructure and mechanical properties of Al – 12 Si produced by selective laser melting: effect of heat treatment. Materials Science and Engineering: A. 2014. Vol. 590. pp. 153–160.
24. Ma P., Prashanth K. G., Scudino S., Jia Y., Wang H. et al. Influence of annealing on mechanical properties of Al – 20 Si processed by selective laser melting. Metals. 2014. Vol. 4. pp. 28–36.
25. Kimura T., Nakamoto T. Thermal and mechanical properties of commercial-purity aluminum fabricated using selective laser melting. Materials Transactions. 2017. Vol. 58, Iss. 5. pp. 799–805.
26. Kempen K., Thijs L., Van Humbeeck J., Kruth J. P. Mechanical properties of AlSi10Mg produced by selective laser melting. Physics Procedia. 2012. Vol. 39. pp. 439–446.
27. Zhai Y., Huang B., Mao X., Zheng M. Effect of hot isostatic pressing on microstructure and mechanical properties of CLAM steel produced by selective laser melting. Journal of Nuclear Materials. 2019. Vol. 515. pp. 111–121.
28. Yu H., Li F., Wang Z., Zeng X. Fatigue performances of selective laser melted Ti – 6 Al – 4 V alloy: influence of surface finishing, hot isostatic pressing and heat treatments. International Journal of Fatigue. 2019. Vol. 120. pp. 175–183.
29. Hirata T., Kimura T., Nakamoto T. Effects of hot isostatic pressing and internal porosity on the performance of selective laser melted AlSi10Mg alloys. Materials Science & Engineering: A. 2020. Vol. 772. 138713.
30. Wang Y., Shi J. Effect of hot isostatic pressing on nanoparticles reinforced AlSi10Mg produced by selective laser melting. Materials Science & Engineering: A. 2020. Vol. 788. 139570.
31. Spierings A. B., Dawson K., Dumitraschkewitz P., Pogatscher S., Wegener K. Microstructure characterization of SLM-processed Al – Mg – Sc – Zr alloy in the heat treated and HIPed condition. Additive Manufacturing. 2018. Vol. 20. pp. 173–181.
32. Padalko A. G., Talanova G. V., Ponomareva E. Yu., Talyat-Kelpsh V. V., Shvorneva L. I. et al. Phase transformations at high pressures and temperatures and the structure of hypoeutectic 1 Ni – 99 Al alloy. Metally. 2012. No. 5. pp. 46–53.
33. Dedyaeva E. V., Akopyan T. K., Padalko A. G., Talanova G. V., Shvorneva L. I. et al. Understanding the effect of the baric component on the phase transformations and structure of Al – 12 at % Si alloy. Neorganicheskie materialy. 2014. Vol. 50. pp. 719–725.
34. Hwang J. Y., Doty H. W., Kaufman M. J. The effects of Mn additions on the microstructure and mechanical properties of Al – Si – Cu casting alloys. Materials Science & Engineering: A. 2008. Vol. 488, Iss. 1-2. pp. 496–504.
35. Glazoff M., Khvan A., Zolotorevsky V., Belov N., Dinsdale A. Casting Aluminum Alloys. 2^nd edition, Butterworth-Heinemann. Oxford, 2018. 544 p.
36. Akopyan T. K., Belov N. A., Padalko A. G., Letyagin N. V., Avksentyeva N. N. Analysis of the effect of hydrostatic pressure on the nonvariant eutectic transformation in Al – Si, Al – Cu, and Al – Cu – Si systems. Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120. pp. 593–599.
37. Padalko A. G., Pyrov M. S. Thermal and barothermal treatment, microstructure, and properties of an Al – 8 Si – 3.5 Cu – 0.2 Mn alloy. Russian Metallurgy (Metally). 2020. No. 9. pp. 1002–1009.
38. Bourgeois L., Dwyer C., Weyland M., Nie J., Muddle B. C. Structure and energetics of the coherent interface between the θ' precipitate phase and aluminium in Al – Cu. Acta Materialia. 2011. Vol. 59, Iss. 18. pp. 7043–7050.
39. Bourgeois L., Dwyer C., Weyland M., Nie J. F., Muddle B. C. The magic thicknesses of θ' precipitates in Sn-microalloyed Al – Cu. Acta Materialia. 2012. Vol. 60. pp. 633–644.