/ 93 1 (74), 2014 УДК 621 .746 Поступила 04.02.2014 А. С. КАлИнИченКо, в. А. КАлИнИченКо, в. С. нИСС, С. в. гРИгоРьев, БнТУ стаБильность МиКроструКтуры БыстрозаКаленных алЮМиниевых сплавов Проведенные исследования длительной стабильности микроструктур быстрозакаленных лент из сплавов алюми- ния с медью и хромом показали, что в медьсодержащих сплавах наблюдается естественное старение, сопровождаемое выделением стабильных фаз. в хромсодержащих быстрозакаленных лентах заметных изменений микроструктуры не наблюдается, что подтверждает их высокую временную стабильность. The conducted researches of continuous stability of microstructures of the fast-quenched tapes from alloys of aluminum and chrome showed that the natural aging accompanied by discharge of stable phases is observed in copper-bearing alloys. There are no changes in microstructure in the chrome-bearing fast-chilled tapes that confirms their high temporary stability. Введение. Тенденции развития материалове- дения характеризуются исследованиями и разра- боткой новых материалов с повышенными эксплу- атационными свойствами, обеспечивающих повы- шение долговечности машин и механизмов, сни- жение материалоемкости продукции . Особый ин- терес представляют алюминиевые сплавы, кото- рые характеризуются высокими удельными физи- ко-механическими свойствами, однако работаю- щие при относительно невысокой температуре . Для повышения их температурной области приме- нения активно используется легирование туго- плавкими элементами . Необходимо отметить, что возможности полезного легирования в традицион- ных процессах литья почти себя исчерпали . Поэ- тому значительный интерес представляют процес- сы затвердевания при неравновесных условиях, которые открывают новые возможности в управ- лении структурой и свойствами металлов [1] . Причем процессы неравновесного затвердева- ния уже нашли практическое применение для не- которых алюминиевых сплавов [2] . Процессы местного плавления и затвердевания в крайне не- равновесных условиях имеют место и при сверх- глубоком проникновении, вызывая формирование совершенно необычных фаз и соединений [3] . Местные отклонения от равновесного хода про- цесса кристаллизации и последующего затверде- вания зафиксированы при получении макрогете- рогенных композиционных материалов [4] . Исследование стабильности микрострук- тур. С точки зрения получения в структуре нано- размерных элементов интерес представляют тер- мические методы, включающие в себя обработку с использованием источников концентрированной энергии (лазер, электронно-лучевая обработка) и процессы закалки из жидкого состояния . В про- цессах закалки из жидкого состояния обеспечива- ются условия для расширения области раствори- мости в твердом состоянии, формирования ультра- дисперсной структуры, формирования новых кри- сталлических и некристаллических, метастабиль- ных фаз, включая фиксирование аморфного состо- яния . При последующей термообработке происхо- дит распад пересыщенного твердого раствора или кристаллизация аморфного состояния с выделени- ем по границам зерен наноразмерных фазовых со- ставляющих . Такие частицы на границах зерен обеспечивают значительное увеличение стабиль- ности микроструктур при повышенной температу- ре (рис . 1) . Ранее были выполнены исследования по осо- бенностям формирования микроструктуры алюми- ниевых сплавов, полученных закалкой из жидкого состояния, а также определены некоторые физико- механические свойства [5] . При оценке работоспо- собности алюминиевых сплавов, полученных закал- кой из жидкого состояния, важной задачей являет- ся исследование способности сохранять характер микроструктуры длительное время, что, в свою очередь, определяет и сохранение высоких физи- ко-механических свойств . Поэтому были исследо- ваны структуры образцов из алюминиевых спла- вов, полученные закалкой из жидкого состояния 94 / 1 (74), 2014 ранее (более 5 лет назад) . Были исследованы спла- вы системы алюминий – медь и алюминий – хром . Выбор данных сплавов обусловлен тем, что сплавы алюминий – медь характеризуются есте- ственным старением вследствие распада твердого раствора, способствующего упрочнению сплава, а система алюминий – хром отличается стабиль- ностью вторичных фаз . Микроструктура ленты толщиной 150 мкм из сплава алюминия с 5% меди приведена на рис . 2 . Из рисунка видно, что у охлаждаемой поверхности в слое толщиной 25–30 мкм присутствуют столб- чатые кристаллы, которые сменяются равномер- ными округлыми зернами размером около 10 мкм . По сечению ленты отмечены выделения избыточ- ной фазы осаждения, которая в основном присут- ствует по границам зерен, но по мере удаления от охлаждаемой поверхности включения этой фазы присутствуют и в объеме зерен матричного сплава . Рентгенофазовый анализ показал, что в лентах сплава Al-5Cu, полученных со скоростями охлаж- дения выше 105 К/с, присутствуют αal-твердый раствор и метастабильная фаза CuAl (моноклин- ная) при среднем содержании меди в твердом рас- творе 3,85% (77% от общего содержания меди) . Причем количество этой фазы уменьшается с об- разованием стабильной фазы CuAl2 в быстрозака- ленных сплавах с содержанием меди более чем 10% . На рис . 3 приведены микроструктуры бинар- ных сплавов алюминия с 15 и 25% меди . Начиная с 15% меди при максимальной скорости кристал- лизации сплавов на рентгенограммах появляются линии другой метастабильной фазы Cu3Al2, что Рис . 1 . Выделения фаз по границам зерна в быстрозакален- ной ленте из сплава Al-5Cu Рис . 2 . Микроструктура сплава Al-5Cu а б Рис . 3 . Микроструктура сплавов алюминия с 15% (а) и 25% (б) меди, полученных при скорости охлаждения из жидкого со- стояния около 105 К/с / 95 1 (74), 2014 приводит к изменению характера микроструктуры по сечению . Результатом появления вторичных ме- тастабильных фаз CuAl и Cu3Al2, которые богаты медью, является некоторое снижение концентра- ции меди в твердом растворе по сравнению со сплавами, содержащими 5–10% меди . Это особен- но заметно в двухфазной области сильнолегиро- ванных сплавах, содержащих свыше 20% Cu (вплоть до эвтектического состава), закристалли- зованных с большими скоростями . В сплавах алю- миния с 15 и 25% в твердом растворе содержится соответственно 4,25 и 3,9% меди (28,3 и 15,6% от общего содержания меди в сплаве) . Структура лент обоих образцов характеризуется наличием следующих фаз: αAl-твердый раствор, CuAl2, CuAl, Cu3Al2 . Однако объемное содержание этих фаз различно, что приводит к отличию в микрострук- турах (рис . 3) . На рис . 4 приведены микроструктуры переход- ной зоны быстрозакаленных лент (см . рис . 3) . Из рисунка видно, что в сплавах с 15% меди структу- ра имеет более тонкое строение фазовых составля- ющих и присутствуют наноразмерные частицы, что не наблюдается при повышении содержания меди до 25% . Таким образом, микроструктура быстрозака- ленных (со скоростями охлаждения из жидкого со- стояния свыше 105 К/с) сплавов алюминия с ме- дью характеризуется естественным старением с выделением упрочняющей фазы как по границам зерен, так и в их объеме . В то же время сохраняет- ся мелкодисперсная структура в сплавах, содержа- щих до 15% меди . Результаты исследований пока- зывают, что быстрозакаленные сплавы системы алюминий – медь целесообразно подвергать ис- кусственному старению для завершения всех про- цессов структурно-фазовых превращений . В этом случае можно обеспечить стабильность структуры и свойств сплава . Сразу после литья в микроструктуре быстроза- каленных лент с высоким содержанием хрома на- блюдаются две составляющие: не травящийся твердый раствор (возможно очень мелкокристал- лическое строение, не выявленное в световом ми- кроскопе) и выделения стабильной фазы Al7Cr или метастабильной Al11Cr2 . Анализ показывает, что в пересчете на сред- нюю концентрацию хрома в твердом растворе она должна составлять около 3% при содержании 5% хрома в сплаве . Интерпретируя кривую параметра решетки, можно предположить, что максимальная растворимость хрома в твердом растворе прихо- дится при его содержании в исходном сплаве око- ло 6% . При дальнейшем повышении содержания хрома выделяется значительное количество кри- сталлов фазы Al7Cr, параметр решетки растет, твердый раствор обедняется хромом . Были исследованы два типа микроструктур быстрозакаленных лент из сплава системы алюми- ний–хром, содержащих 6,8% хрома и 0,8% железа, а также 7,0% хрома и 1,19% железа . Анализ показывает, что в лентах, полученных при скоростях охлаждения порядка 105 К/с и со- держащих хром в количестве 6,8%, отмечаются ближе к свободной поверхности достаточно круп- ные включения стабильной фазы Al7Cr длиной до 30 мкм . Это же было характерно и для литого со- стояния (рис . 5, а) . Кроме того, отмечается присут- ствие фаз, содержащих железо или, возможно, же- лезо и хром . а б Рис . 4 . Микроструктура переходной зоны в лентах из сплавов алюминия с 15% (а) и 25% (б) меди 96 / 1 (74), 2014 При повышении скорости охлаждения до 106 К/с даже при содержании хрома, равное 7%, на- блюдаются включения хромистой фазы компакт- ной округлой формы, вероятнее всего, метаста- бильной фазы Al11Cr2 (рис . 6, а) . Это подтвержда- ется и распределением хрома по линии для перво- го и второго образца (рис . 5, б, 6, б) . В метаста- бильной фазе содержание хрома составляет 25,94%, а в стабильной – 21,58% . Причем при бо- лее высокой скорости охлаждения формируются столбчатые кристаллы, в которых наблюдаются наноразмерные фазы, содержащие железо и хром . а б Рис . 5 . Микроструктура ленты из сплава Al – 6,8Cr – 0,8Fe, полученной при скорости охлаждения 105 К/с (а) и распределе- ние хрома по линии (б) а б Рис . 6 . Микроструктура ленты из сплава Al – 7,0Cr – 1,19Fe, полученной при скорости охлаждения 106 К/с (а) и распределе- ние хрома по линии (б) Литература 1 . К а л и н и ч е н к о А . С ., Б е р г м а н н Г . В . Управляемое направленное затвердевание и лазерная обработка: теория и практика . Мн .: Технопринт, 2001 . 2 . М а р у к о в и ч Е . И ., С т е ц е н к о В . Ю ., Б а р а н о в К . Н . Исследование литья полых заготовок из силумина АК18 методом намораживания на водоохлаждаемом стержне // Литье и металлургия . 2011 . № 3 . С . 65–67 . 3 . O v c h i n n i k o v V . I ., R o m a n O . V ., U s h e r e n k o S . M ., K a l i n i c h e n k o A . S . Effect of Processing with High- speed Particles and Explosion Energy on Mechanical Properties of Materials // Shock-Assisted Synthesis and Modification of Materials . Eds . AA . Deribas, Yu . B . Scheck .- Moscow: Torus Press Ltd . 2006 . P . 96–97 . 4 . К е з и к В . Я ., К а л и н и ч е н к о А . С . Упрочнение литых макрогетерогенных композитов // Литье и металлургия . 2004 . № 1 . С . 40–44 . 5 . К а л и н и ч е н к о А . С . Применение неравновесных процессов затвердевания для получения материалов с улучшенны- ми свойствами // Литье и металлургия . 2010 . № 4 . С . 49–54 .