Обоснование состава и структуры деформируемых сплавов на базе системы Al–Cu–Mn (Zr), не требующих гомогенизации и закалки

Язык труда и переводы:
УДК:
669.7.017
Дата публикации:
30 мая 2022, 10:27
Категория:
Литейное и сварочное производство
Авторы
Белов Николай Александрович
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Аннотация:
Рассмотрено использование экспериментальных и расчетных методов обоснованы перспективные составы модельных деформируемых сплавов на базе системы Al–Cu–Mn–Zr (Al2Mn2Cu и Al2Mn2Cu0.4Zr, мас.%), не требующие гомогенизации и закалки. Показано, что наилучшей комплекс механических свойств достигается в холоднокатаных листах после отжига при 400 °С. Это обусловлено формированием в их структуре дисперсоидов фазы Al20Cu2Mn3 в количестве более 9 масс.% со средним размером менее 100 нм. Сделан вывод, что такая структура обеспечивает более высокую термостойкость по сравнению с марочным сплавом 1201 (аналогичной системы легирования), упрочняемым за счет закалки и старения
Ключевые слова:
деформируемые алюминиевые сплавы, система Al–Cu–Mn–Zr, фазовый состав, структура, дисперсоиды Al20Cu2Mn3, термостойкость
Основной текст труда

C использованием программы Thermo-Calc рассчитаны фрагменты фазовых диаграмм системы Al–Cu–Mn–Zr, включая изотермические и политермических сечений в области алюминиевого угла. Установлено, что в отличие от марочных сплавов типа 1201/AA2219 (5-7%Cu), которые имеют фазовый состав (Al)+Al2Cu+Al20Cu2Mn3, в сплавах, содержащих менее 3%Cu, фазовый состав может меняться в зависимости от концентраций меди и марганца и температуры. Расчетные параметры фазового состава сплавов системы Al–Cu–Mn, содержащих 2%Mn, показывают, что в диапазоне температур 300–400 °С возможно сформировать около 10 мас.% фазы Al20Cu2Mn3. Это значение соизмеримо с количеством упрочняющих выделений фазы Al2Cu в сплавах типа 2219 после полной термообработки. С ростом температуры до 600 °С равновесные концентрации Mn и Cu в алюминиевом твердом растворе (далее (Al)) увеличиваются, а количество Mn-содержащих фаз уменьшается. Проведена оценка формирования литой структуры на основе анализа неравновесной кристаллизации по модели Sheil-Guliver. Показано, что при содержании Cu до 3%, количество эвтектических включений фазы Al2Cu в литом состоянии не должно превышать 3 мас.%, что соизмеримо с их количеством в гомогенизированных слитках сплавов типа 2219. Изучено влияние циркония на температуру ликвидуса, состав (Al) и количество вторичных выделений фазы Al3Zr: стабильной (D023) и метастабильной (L12) модификаций. В случае полного вхождения Zr в (Al) при кристаллизации количество вторичных выделений L12, которые могут образоваться при отжиге при 400 °С, должно составлять около 0,5 мас.%.

Установлены закономерности совместного влияния Cu, Mn и Zr (в диапазоне 1–2 %Mn, до 4% Cu и до 0,4% Zr) и температуры отжига (в интервале 200–600 °С) на структуру слитков (размером 10×40×180 мм) и холоднокатаных листов (толщиной 2 мм и 0,5 мм) сплавов системы Al–Cu–Mn–Zr, приготовленных на высокочистом алюминии (А99). Показано, что при содержании меди до 3 % частицы фазы Al2Cu имеют относительно компактную форму в литом состоянии, что позволяет проводить деформационную обработку слитков без предварительной гомогенизации. По количеству эвтектических включений фазы Al2Cu микроструктура гомогенизированного слитка сплава 2219 и литых слитков модельных сплавов 2Mn2Cu и 2Mn3Cu близки между собой. Отличие между ними заключается в структуре алюминиевой матрицы. В марочном сплаве имеются многочисленные и достаточные крупные вторичные выделения фаз Al2Cu и Al20Cu2Mn3, а в модельных сплавах — это твердый раствор Mn и Cu в (Al).

В холоднокатаных листах, отожженных при 400 °С (состояние CR400), модельные сплавы содержат множество частиц размером менее 100 нм. Согласно результатам ПЭМ и РФСА они отвечают фазе Al20Cu2Mn3. В то же время эвтектические включения фазы Al2Cu, присутствовавшие в исходном состоянии, почти не выявляются, что может свидетельствовать об их растворении в процессе отжига.  Это согласуется с равновесным фазовым составом при 400 °С. Показано, что марочный сплав 2219 и модельные сплавы 2Mn2Cu и 2Mn3Cu, относящиеся к одной системе легирования, после нагрева при 400 °С сильно отличатся по фазовому составу и структуре. В сплаве 2219 доминируют вторичные выделения Al2Cu размером более 1 мкм. В то время как количество дисперсоидов Al20Cu2Mn3 составляет всего 1 масс.%. При этом размеры последних составляет сотни мкм, что обусловлено высокой температурой гомогенизации. Сочетание холодной деформации и высокой температуры нагрева под закалку сплава 2219 обуславливает высокую движущую силу к рекристаллизации. Металлографический анализ выявляет равноосные зерна размером около 50 мкм. С другой стороны, наличие дисперсоидов Al20Cu2Mn3 в сплавах 2Mn2Cu и 2Mn3Cu позволяет сохранить волокнистую (нерекристаллизованную) структуру, несмотря на большую степень деформации по сравнению с марочным сплавом (95 против 83%).

Построены зависимости твердости и электросопротивления (УЭС) слитков и холоднокатаных листов сплавов системы Al–Cu–Mn–Zr от температуры отжигав в интервале от 200 до 600 °С. Твердость слитков и холоднокатаных листов монотонно возрастает при увеличении концентраций Mn и Cu. Холодная прокатка приводит к существенному упрочнению всех сплавов. Максимальная твердость (~130 HV) достигается в тонких листах наиболее легированного сплава 2Mn3Cu. Влияние температуры отжига на твердость слитков незначительно, несмотря на распад (Al). Это означает примерное равенство упрочняющих эффектов от твердорастворного легирования и от Mn-содержащих дисперсоидов, которые в значительном количестве формируются при термообработке. Значение УЭС всех модельных сплавов в исходном состоянии достаточно велико, что обусловлено практически полном вхождением Mn в (Al). При этом УЭС слитков и проката, с ростом содержания меди растет незначительно, вследствие ее более слабого влияния в составе (Al) по сравнению с марганцем. Температурные зависимости твердости холоднокатаных листов, позволяют выявить начало разупрочнения, что связано, в первую очередь, с процессом рекристаллизации. Заметное снижение значений HV в Cu-содержащих сплавах наблюдается при температурах выше 350–400 °С. Термически упрочняемый сплав 2219 обладает наибольшей твердостью после старения на максимальную прочность (137 HV). Однако после нагрева свыше 300 °С модельные сплавы показывается более высокие значения. Наиболее показательным является сравнение твердости после нагрева при 400 °С, когда модельные сплавы 2Cu2Mn и 2Mn3Cu превосходят марочный сплав на 25 %.

На примере сплавов, содержащих 2 %Mn, изучено влияние Cu и Zr на механические свойства на растяжение (UTS, YS, El) холоднокатаных листов в исходном и отожженном (при 400 °С) состояниях. Легирование базового двойного сплава (2Mn) медью приводит к заметному росту как временного сопротивления (UTS), так и предела текучести (YS). В частности, добавка 3% Cu повышает значение UTS в исходном состоянии с 220 до 430 МПа, а в отожженном — с 170 до 270 МПа. При этом сплав 2Mn2Cu, имея близкие прочностные свойства со сплавом 2Mn3Cu, существенно превосходит его по пластичности.

В исходных состояниях цирконий не оказал заметного влияния на упрочнение по сравнению с тройными сплавами. Отжиг вплоть до 400 °С также не выявил существенных преимуществ по сравнению с тройными сплавами. Вероятно, это объясняется тем, что доля наночастиц фазы L12 (Al3Zr) существенно меньше доли дисперсоидов Al20Cu2Mn3. Прочностные свойства на растяжение, полученные при испытания на растяжение тонких холоднокатаных листов, достаточно сильно коррелируют с твердостью, которые, в свою очередь, коррелируют с параметрами структуры. Значения временного сопротивления (430 МПа) и предела текучести (310 МПа) сплава 2219, максимальные в состоянии Т1, резко снижаются после 3-часового нагрева 400 °С (UTS=230 МПА, YS=90 МПа). Добавка циркония, в целом, не оказывает заметного влияния на прочности свойства тройных сплавов. Значимый прирост наблюдается только в сплаве 2Mn2Cu0,4Zr: в отожженном состоянии значения UTS и YS составляет 300 и 250 МПа соответственно.

Для оценки возможности получения слитков и деформируемых полуфабрикатов экспериментальных сплавов в промышленных условиях модельный сплав 2Mn2Cu был приготовлен в виде 2-х плоских слитков (размером 40×120×180 мм) и 2-х цилиндрических слитков (диаметром 60 мм и высотой 250 мм). Из плоских слитков были получены горячекатаные листы, толщиной 3 мм (степень обжатия 92 %), а из них холоднокатаные листы, толщиной 0,5 мм (степень обжатия 99 %). Из цилиндрических слитков методами прессования и радиально-сдвиговой прокатки были получены прутки диаметром 9 мм, а из них проволока диаметром 0,5 мм. Сплав 2Mn2Cu показал высокую деформационная пластичность при прокатке, прессовании и волочении, видимые дефекты на полуфабрикатах обнаружены не были. Определены механических свойства на растяжение сплава 2Mn2Cu после разных режимов термообработки. Показано, что временное сопротивление холоднокатаных листов и проволоки, отожженных при 300 °С в течение 3 часов, составило 330 МПа и 380 МПа соответственно,

По совокупности расчетных и экспериментальных обоснованы перспективные составы модельных сплавов (2Mn2Cu и 2Mn2Cu0.4Zr), которые позволяют реализовать наилучшее сочетание технологичности и физико-механических свойств. Более детально особенности структуры и свойств таких сплавов рассмотрены в работах [1–4].

Грант
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 20-19-00249
Литература
  1. Belov N.A., Akopyan T.K., Shurkin P.K., Korotkova N.O. Comparative Analysis of Structure Evolution and Thermal Stability of Experimental AA2219 and Model Al–2wt.%Mn–2wt.%Cu Cold Rolled Alloys. JALCOM, 2021, vol. 864, 158823. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.158823
  2. Belov N.A., Korotkova N.O., Cherkasov S.O., Yakovleva A.O., Tsydenov K.A. Effect of iron and silicon concentrations on the phase composition and microstructure of wrought alloy Al–2 wt.% Mn–2 wt.% Cu. Phys. Met. Metallograph., 2021, vol.122, no. 11, pp. 1095–1102. https://doi.org/10.1134/S0031918X2111003X
  3. Белов Н.А., Шуркин П.К., Короткова Н.О., Черкасов С.О. Влияние термообработки на структуру и термостойкость холоднокатаных листов сплавов системы Al–Cu–Mn с разным соотношением меди и марганца. Цветные металлы, 2021, № 9 , с. 80–86. https://doi.org/10.17580/tsm.2021.09.09
  4. Korotkova N.O., Shurkin P.K., Cherkasov S.O., Aksenov A.A. Effect of Copper Concentration and Annealing Temperature on the Structure and Mechanical Properties of Ingots and Cold-Rolled Sheets of Al–2% Mn Alloy. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2022, vol. 63, no. 2, pp. 190–200. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2022-1-67-78
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.