Институт металлургии УрО РАН, Екатеринбург, Россия:

Э. А. Попова, старший научный сотрудник лаборатории ФХМР, эл. почта: po.elvira@gmail.com
П. В. Котенков, научный сотрудник лаборатории ФХМР, эл. почта: p.kotenkoff@yandex.ru
А. Б. Шубин, заведующий лабораторией ФХМР, эл. почта: fortran@list.ru

Исследование направлено на получение новых лигатурных сплавов системы Al – Hf – Ti с метастабильными алюминидами, имеющими кубическую решетку структурного типа L1₂, идентичную матрице алюминиевых сплавов. Выплавку лигатурных сплавов Al – Hf – Ti проводили в печи угольного сопротивления. Перегретые на 100–400 град над температурой ликвидуса расплавы заливали в бронзовую изложницу, скорость кристаллизации в которой составляла ~10³ град/с. При высоких скоростях кристаллизации перегретых расплавов алюминия с переходными металлами вследствие возникающих внутренних напряжений появляется возможность образования первичных метастабильных алюминидов за счет полного или частичного подавления образования термодинамически стабильных фаз. В изученных условиях кристаллизации в сплавах наблюдаются различные формы роста алюминидов: кубоидная, лепестковая, крестовидная и дендритная. Внутренняя структура первичных алюминидов вне зависимости от их форм роста характеризуется постепенным увеличением концентрации титана и гафния от края алюминида к его центру. Содержание титана и гафния в образующихся метастабильных алюминидах Al_n(Hf_хTi_1–х) пропорционально их содержанию в сплавах, несмотря на то что часть этих металлов растворяется в дендритных ячейках α-Al. С увеличением в 2,3 раза содержания гафния в сплаве его доля x в алюминидах возрастает в 2,1 раза (с 0,31 до 0,66). При этом значительно уменьшается несоответствие параметра решеток алюминидов и алюминиевой матрицы. Лигатурный сплав с такой зародышеобразующей фазой обеспечит больший эффект измельчения зерна. При кристаллизации перегретых расплавов системы Al – Hf – Ti степень пересыщенности твердого раствора алюминия гафнием почти в два раза превышает таковую для бинарной системы Al – Hf и при меньшем перегреве. Это свидетельствует о возможности получения большей объемной доли вторичных алюминидов Al₃(Hf_хTi_1–х) при легировании дисперсионно упрочняемых алюминиевых сплавов малыми добавками Hf + Ti.

Работа выполнена по теме № 0396-2015-00-78, государственное задание ИМЕТ УрО РАН.
Результаты получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Урал-М».

1. Поздняков А. В., Осипенкова А. А., Попов Д. А., Махов С. В., Напалков В. И. Влияние малых добавок Y, Sm, Gd, Hf и Er на структуру и твердость сплава Al – 0,2 % Zr – 0,1 % Sc // Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. № 9 (735). С. 25–30.
2. Захаров В. В. О легировании алюминиевых сплавов переходными металлами // Металловедение и термическая обработка металлов. 2017. № 2 (740). С. 3–8.
3. Wu H., Wen S. P., Gao K. Y., Huang H., Wang W., Nie Z. R. Effect of Er additions on the precipitation strengthening of Al – Hf alloys // Scripta Materialia. 2014. Vol. 87. P. 5–8.
4. Stan K., Litynska-Dobrzynska L., Ochin P., Garzel G., Wierzbicka-Miernik A., Wojewoda-Budka J. Effect of Ti, Zr and Hf addition on microstructure and properties of rapidly solidified Al – Mn – Fe alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 615. P. S607–S611.
5. Замятин В. М., Резник П. Л., Овсянников Б. В. Особенности кристаллизации сплавов системы Al – Mg с добавками переходных металлов // Расплавы. 2012. № 1. С. 77–80.
6. Norman A. F., Prangnell P. B., McEwen R. S. The solidification behavior of dilute aluminium-scandium alloys // Acta Mater. 1998. Vol. 46, No.16. P. 5715–5732.
7. Knipling K. E., Dunand D. C., Seidman D. N. Nucleation and precipitation strengthening in dilute Al – Ti and Al – Zr alloys // Metallurgical and Materials Transactions: A. 2007. Vol. 38A. P. 2552–2563.
8. Carlsson A. E., Meschter P. J. Relative stability of L1₂, D0₂₂, and D0₂₃ structures in MAl₃ compounds // J. Mater. Res. 1989. Vol. 4, No. 5. P. 1060–1063.
9. Malek P., Janecek M., Smola B., Bartuska P., Plestil J. Structure and properties of rapidly solidified Al – Zr – Ti alloys // J. Mater. Sci. 2000. Vol. 35. P. 2625–2633.
10. Norman A. F., Tsakiropoulos P. Rapid solidification of Al – Hf alloys — solidification, microstructures and decomposition of solid-solutions // Int. J. Rapid Solid. 1991. Vol. 6, No. 3–4. P. 185–213.
11. Srinivasan S., Desch P. B., Schwarz R. B. Metastable Phases in the Al₃X (X = Ti, Zr, and Hf) Intermetallic System // Scripta Metall. Mater. 1991. Vol. 25, No. 11. P. 2513–2516.
12. Бродова И. Г., Поленц И. В., Есин В. О., Лобов Б. М. Закономерности формирования литой структуры переохлажденных Al – Ti сплавов // Физика металлов и металловедение. 1992. № 1. C. 84–89.
13. Бродова И. Г., Замятин В. М., Попель П. С., Есин В. О., Баум Б. А., Моисеев А. И., Коршунов И. П., Поленц И. В. Условия формирования метастабильных фаз при кристаллизации сплавов Al – Zr // Расплавы. 1988. Т. 2, № 6. С. 23–27.
14. Popova E. A., Shubin A. B., Kotenkov P. V., Pastukhov E. A., Bodrova L. E., Fedorova O. M. Al – Ti – Zr master alloys: structure formation // Russian metallurgy (Metally). 2012. No. 5. P. 357–361.
15. Murray J. L., McAlister A. J., Kahan D. J. The Al – Hf (aluminum-hafnium) system // J. Phase Equil. 1998. Vol. 19, No. 4. P. 376–379.
16. Kerr H. W., Cisse J., Boiling G. F. On equilibrium and nonequilibrium peritectic transformation // Acta Metall. 1974. Vol. 22. P. 677–686.
17. Du Y., Chang Y. A., Huang B., Gong W., Jin Z., Xu H., Yuan Z., Liu Y., He Y., Xie F. Y. Diffusion coefficients of some solutes in fcc and liquid Al: critical evaluation and correlation // Mater Sci. Eng. A. 2003. Vol. 363, No. 1/2. P. 140–151.
18. Setiukov O., Fridlyander I. Peculiarities of Ti dendritic segregation in aluminum alloys // In: Aluminium Alloys: Their Physical and Mechanical Properties. Materials Science Forum. France, 1996. P. 195–200.
19. Popova E. A., Kotenkov P. V., Pastukhov E. A., Shubin A. B. Master alloys Al – Sc – Zr, Al – Sc – Ti, and Al – Ti – Zr: their manufacture, composition, and structure // Russian Metallurgy (Metally). 2013. Vol. 2013, No. 8. P. 590–594.
20. Шубин А. Б., Попова Э. А., Котенков П. В., Пастухов Э. А., Шуняев К. Ю. Кристаллизация сплавов Al – Sc – Ti при малой скорости охлаждения: морфология частиц интерметаллидов // Расплавы. 2015. № 5. С. 3–11.
21. Ghosh G., Asta M. First-principles calculation of structural energetics of Al – TM (TM = Ti, Zr, Hf) Intermetallics // Acta Materialia. 2005. Vol. 53. P. 3225–3252.