CC BY
18
УДК 669.715:669.793
СТРОЕНИЕ ФАЗОВЫХ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ В ОБЛАСТИ СПЛАВОВ, БОГАТЫХ АЛЮМИНИЕМ, СОДЕРЖАЩИХ СКАНДИЙ
Рохлин Л.Л., докт. техн. наук, Бочвар Н.Р., канд. техн. наук, Т.В. Добаткина, канд. техн. наук (ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН)
Представлен обзор алюминиевых тройных и более сложных фазовых диаграмм состояния, содержащих скандий, исследованных в ИМЕТе в лаборатории, руководимой профессором М.Е. Дрицем. Основное внимание было уделено определению протяженности области алюминиевого твердого раствора в изучаемых системах при различных температурах и составу фаз, которые были установлены в равновесии с алюминием. Было показано, что влияние различных легирующих элементов на изменение растворимости скандия в алюминиевом твердом растворе зависит от природы вводимых добавок и их взаимодействия со скандием в исследованных системах.
Ключевые слова: фазовая диаграмма, твердый раствор, растворимость, алюминиевые сплавы.
Structure of Phase Structural Diagrams in the Field of Aluminium Rich Scandium-Bearing Alloys. L.L. Rokhlin, N.R. Bochvar, T.V. Dobatkina.
Review of investigated aluminium ternary diagrams and more complex phase ones with scandium are presented. Investigations of the diagrams were carried out at IMET's laboratory guided by Professor M.Ye. Drits. A special attention was paid to determination of the extent of the field of aluminium solid solution in the systems under study at various temperatures and compositions of phases which found to be in equilibrium with aluminium. It is shown that the effect of various alloying elements on a change of scandium solubility in aluminium solid solution depends on nature of additions made to the alloys and on reaction of the additions with scandium in the investigated systems.
Key words: phase diagram, solid solution, solubility, aluminium alloys.
Одним из первых исследователей в СССР, кто обратил внимание на перспективность использования скандия для легирования сплавов на основе алюминия, был профессор М.Е. Дриц [1-10]. В работах М.Е. Дрица было показано, что существенное повышение прочностных свойств алюминия и алюминиевых сплавов при введении скандия происходит за счет выделения при распаде пересыщенного алюминиевого твердого раствора дисперсных частиц фазы БсА!3, когерентной с матрицей, и за счет высокой устойчивости сплавов к рекристаллизации. Однако легирование алюминия только скандием недостаточно для получения необходимого уровня свойств сплавов, которые могли бы конкурировать с существующими промышленными алюминиевыми сплавами. Скандий можно было рассматри-
вать как перспективную добавку совместно с другими легирующими элементами, обычно используемыми при разработке литейных и деформируемых алюминиевых сплавов, такими как магний, медь, литий, цинк, кремний, марганец, цирконий и некоторыми другими. Поэтому необходимо было исследовать взаимодействие компонентов в тройных и более сложных системах на основе алюминия, одним из компонентов которых был бы скандий. Такие знания можно получить, изучая соответствующие фазовые диаграммы состояния. Профессор М.Е. Дриц придавал этим исследованиям большое значение. Учитывая практическую направленность проводимых исследований, особое внимание уделялось изучению фазовых равновесий в области сплавов, богатых алюминием, определению
границ алюминиевого твердого раствора при различных температурах и фаз, находящихся в равновесии с алюминием.
Первоначально необходимо было уточнить двойную диаграмму М-Бе в области, прилегающей к А1-стороне, поскольку имелась только одна работа, посвященная физико-химическому исследованию этой системы [11]. Авторы этой работы установили перитектический характер взаимодействия в области, богатой алюминием, и достаточно высокую для переходных и редкоземельных металлов растворимость скандия в твердом алюминии при комнатной температуре, равную ~0,83 % мас. Построенная М.Е. Дрицем с сотрудниками часть двойной диаграммы А1-Бе однозначно показала эвтектический характер превращения со стороны алюминия при 655 °С [1] в отличие от ранее установленного перитекти-ческого превращения. Данные о температуре эвтектического превращения при 655 °С и растворимости скандия в твердом алюминии при этой температуре (0,4 % мас.) были подтверждены позднее в других работах и вошли в справочники по диаграммам состояния [12, 13].
Работы по изучению фазовых диаграмм многокомпонентных систем алюминия, содержащих скандий, инициированные М.Е. Дрицем, были продолжены в лаборатории металловедения цветных и легких металлов ИМЕТа, которой он руководил в течение многих лет. Были исследованы тройные системы А1-Бс-М^, А1-Бе-Си, А!-Зе-Б1, А!-Бе-7п, А1-Бс-и, А!-Бе-7г, А!-Бе-У, А!-Бе-Сг, А!-Бе-Мп; четверные системы А!-Си-и-Бе, Al-Mg-Li-Sc, Al-Mg-Zr-Sc, Al-Mg-Zn-Sc; более сложные системы Al-Cu-Zn-Mg-Sc, Al-Cu-Zn-Mg-Zr-Sc. Результаты исследования диаграмм состояния были важны для разработки промышленных алюминиевых сплавов на основе систем Al-Mg, А!^п-М^ Al-Mg-Li, А!-Си-Ы, Al-Cu-Zn-Mg, легированных скандием [14].
Исследование фазовых диаграмм состояния проводили путем построения изотермических и вертикальных сечений, при этом особое внимание уделялось определению границ области А!-твердого раствора при различных температурах. Полученные результаты позволяли определять содержания легиру-
ющих элементов, которые следует вводить в алюминиевые сплавы, чтобы избежать появления избыточных кристаллов фаз, лежащих за пределами области А!-твердого раствора. Также проведенные исследования давали возможность определять температуры литья, закалки и старения сплавов, устанавливать фазы, находящиеся в равновесии с А!-твер-дым раствором, температуры нонвариантных и моновариантных равновесий, а в отдельных случаях строить поверхности ликвидуса и солидуса изучаемых систем.
По характеру взаимодействия компонентов алюминиевые системы со скандием можно разделить на две группы. К первой группе можно отнести системы, в которых в равновесии с А!-твердым раствором находятся фазы соответствующих двойных систем без заметной растворимости в них третьего элемента (Al-Sc-Mg, А^с^п, А^е-и, А!-Sc-Mn, Al-Sc-Cr), либо фазы двойных систем, которые растворяют значительное количество третьего элемента, - Al-Sc-Zr. Ко второй группе относятся системы, в которых помимо фаз двойных систем в равновесии с А!-твердым раствором оказывались образовавшиеся тройные соединения, например, системы Al-Sc-Cu, Al-Sc-Si, А^е-У. Характер влияния различных элементов при совместном легировании на ход кривых растворимости в твердом алюминии неоднозначен. Так, в системе Al-Sc-Zr, в которой установлена значительная растворимость циркония в ScAl3 (до 20 % мас.) и скандия в ZгA!3 (до 5 % мас.), скандий и цирконий снижали растворимость друг друга в тройном твердом растворе на основе алюминия (рис. 1, а) [15]. В системах А1^с^п [16], А!-Sc-Mn [8], А^е-^ [17] и А^е-Ы [18] добавки цинка, марганца, хрома и лития к А!-Sc-сплавам практически не изменяли растворимость скандия в твердом растворе алюминия в тройных системах по сравнению с его растворимостью в двойной системе. Как пример такого влияния на рис. 1, б показано изотермическое сечение при 450 °С для системы А!-Sе—Li.
В системах А^е-У [19], А^е-^ [20] и A!—Sе—Si [21] в области сплавов, богатых алюминием, образовывались тройные соеди-
нения т, £е,У)А!3, М (SеCuад-4A!5Д-8) и V (А^у, поэтому на кривой, ограничивающей область твердого раствора на основе алюминия, имелись две точки двойного насыщения. Раство-
Бс, % мае. 0,4.
0,2
X •
450 °С • • •
* X * (А1)+(8сА13) (А1)+(8сА13)+ЦА1 • • • • • • •
и X X • • • •
ь<А|> . . . , (А1)+иА1 , 1 ,
А1
2 4
и, % мае.
Рис. 1. Изотермические сечения в А1-углу систем А1-Бс-1т (а), А1-Бс-И (б), А1-Бс-У (в) при различных температурах
римость скандия и иттрия, так же как растворимость скандия и меди в А!-твердом растворе, снижалась до точек двойного насыщения. При этом в системе А^е-У (рис. 1, в), в которой помимо тройного соединения имелась еще и довольно заметная растворимость скандия в УА!3 ( до 3 % мас.) и иттрия в ScAl3 (до 7 % мас.), снижение растворимости элементов в твердом растворе алюминия происходило в большей степени, чем в системе А!-Sc-Cu, в которой нет растворимости третьего элемента в двойных фазах.
Таким образом, если в системах A!—Sе— Мп, Al-Sc-Cr, A!—Sе—Li и А^е^п растворимость скандия в тройном алюминиевом твердом растворе сохранялась на уровне растворимости в двойной системе Al-Sc, то в остальных системах она уменьшалась. В системах Al-Sc-Cu, А^е^ и А^е-У обеднение твердого раствора скандием происходило за счет образования тройных соединений, содержащих скандий. Во всех приведенных системах наблюдалось уменьшение растворимости вводимых элементов в твердом растворе при понижении температуры, что предопределяло возможность дисперсионного твердения при старении сплавов.
В последнее время нами подробно были изучены тройные А^е-^ и А^е-Мп и четверные А^е-Мп-^ и А^с-Мп^г системы в области сплавов, богатых алюминием, с целью определения границ алюминиевого твердого раствора в этих системах при изменении температуры. Результаты исследования фазовой диаграммы Al-Sc-Mn-Cr опубликованы в журнале «Технология легких сплавов», 2009, № 2, с. 20-27, посвященном 85-летию со дня рождения профессора В.И. Елагина. С учетом небольшой растворимости скандия, хрома, марганца, циркония в алюминии для построения изотерм совместной растворимости был выбран метод измерения удельного электросопротивления. Были исследованы сплавы, лежащие на лучевых сечениях, проходящих из А!-угла при различных соотношениях Sc:Cr (1:3,4; 2,4:1) и Sc:Mn (1:2,5; 1:1; 2,4:1) в тройных системах. Четверные фазовые диаграммы были исследованы при постоянном содержании скандия 0,2 % мас., близком к его содержа-
нию в промышленных алюминиевых сплавах. Выбранные составы сплавов в системе А!-Бс-Мп-7г лежали на лучевых сечениях с соотношением Мп:7г, равном 1:1; 1,5:1; 2:1; 7:1 и 23:1. По перегибам на кривых зависимости удельного электросопротивления от состава сплавов, которые указывали на переход из однофазной области в гетерофаз-ную, определялась предельная растворимость скандия и хрома, так же как и скандия и марганца в твердом растворе алюминия при трех температурах. Аналогично была определена совместная растворимость марганца и циркония в А1-твердом растворе при постоянном содержании в сплавах 0,18 % Бс. Эти данные приведены в таблице.
На рис. 2 приведены частичные изотермические сечения диаграмм состояния систем А!-Бс-Сг (рис. 2, а) и А!-Бс-Мп (рис. 2, б) при 640, 600 и 500 °С, а на рис. 3 показано
сечение изотермического тетраэдра системы А!-Бс-Мп-7г при 640 °С и 0,18 % Бс. Как видно из рис. 2, 3, область алюминиевого твердого раствора довольно значительно сужается с понижением температуры. Были
Рис. 3. Сечение изотермического тетраэдра в А1-углу системы А1-Бс-Мп-1г при температуре 640 °С и постоянном содержании 0,18 % мас. Бс
Растворимость Бс, Мп, Сг, 2г в твердом растворе алюминия
Система Раздельная и совместная растворимость Бс, Мп, Сг и 7г (% мас.) в алюминиевом твердом растворе
640 °С 600 °С 500 °С
Бс Сг Мп 7г Бс Сг Мп Бс Сг Мп
А!-Бс 0,233 - - - 0,133 - - 0,05 - -
А!-Мп - - 1,01 - - - 0,81 - - 0,40
А!-Сг - 0,653 - - - 0,523 - - 0,385 -
А!-Бс-Сг 0,23 0,57 - - 0,13 0,47 - 0,05 0,33 -
А!-Бс-Мп 0,23 - 0,68 - 0,13 - 0,52 0,05 - 0,30
А!-Бс-7г при 0,18 % Бс - - - 0,11 - - - - - -
А!-Бс-Мп при 0,18 % Бс - - 0,80 - - - - - - -
А!-Бс-Мп-7г при 0,18 % Бс - - 0,35 0,07 - - - - - -
Рис. 2. Изотермические сечения в А1-углу систем А1-Бс-Сг (а) и А1-Бс-Мп (б) при температурах 640, 600 и 500 °С
подтверждены результаты более ранних работ [8, 17], что хром и марганец практически не снижают растворимости скандия в твердом растворе алюминия до точки двойного насыщения по сравнению с растворимостью в двойной системе.
Диаграммы состояния с пятью и большим количеством компонентов изучали применительно к высокопрочным алюминиевым сплавам типа В95 на основе системы А1-7п-М^-Си с целью определения состава фаз, выделяющихся в процессе кристаллизации и последующей термообработки. Диаграммы имели сложное строение. Области, прилегающие к алюминиевому углу, включали несколько фаз. На рис. 4 показано вертикальное сечение системы А1-7п-М^-Си-Бс-7г при постоянном содержании 8 % 7п, 2 % Си, скандия и циркония, равным 0,3 %, и переменном содержании магния от 0 до 8 % [22]. Фазы ZrAl3, БсА!3 и W (8сСи66 4А!54 8), которые существовали совместно с А1-твердым раствором, могли выделяться в результате моновариантных превращений или при распаде алюминиевого твердого раствора с понижением температуры. По мере увеличения содержания магния в структуре сплавов последовательно появлялись фазы четверной системы А1^п-М^-Си, М (Си^п,А!)2М^ и Т (СиДп,А!)49М^32, которые также выделялись из А!-твердого раствора в
Рис. 4. Вертикальное сечение системы Л1-1а-Си-Мд-1т-Бс при постоянном содержании 8 % 2п, 2 % Си, 0,3 % 1т, 0,3 % Бс и переменном содержании магния от 0 до 8 % (% мас.)
процессе термообработки, что приводило к значительному упрочнению сплавов. Построенное вертикальное сечение позволило установить температуры, при которых возможно проводить гомогенизацию и закалку таких сложных сплавов без оплавления в зависимости от содержания магния.
Таким образом, проведенный обзор исследованных тройных и более сложных фазовых диаграмм состояний, содержащих скандий, показал целесообразность их дальнейшего изучения для понимания характера взаимодействия компонентов в алюминиевых сплавах, содержащих скандий, и фазовых превращений, которые могут происходить в них во время литья и последующей термической обработки.
Выводы
1. Проведен обзор фазовых диаграмм состояния многокомпонентных систем алюминиевых сплавов, содержащих скандий, в области составов с высоким содержанием алюминия. Основное внимание было уделено исследованию границ области алюминиевого твердого раствора и их изменению с понижением температуры, а также установлению фаз, находящихся в равновесии с алюминиевым твердым раствором.
2. Приведены результаты новых исследований по двум тройным А1-Бс-Сг и А!-Бс-Мп и четверной А!-Бс-Мп-Zr фазовым диаграммам в области алюминиевого твердого раствора. Определена совместная растворимость хрома и скандия, а также марганца и скандия в А!-твердом растворе при 500 °С. Показано, что при 500 °С изменение растворимости хрома и марганца в А!-Бс-сплавах происходит так же, как и при 600 и 640 °С. Определена совместная растворимость марганца и циркония в твердом растворе алюминия, содержащем 0,18 % Бс при 640 °С. Показано различное влияние указанных легирующих элементов на их взаимную растворимость в А!-твердом растворе, когда они присутствуют совместно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дриц М.Е., Каданер Э.С., Добаткина Т.В., Тур-кина Н.И. О характере взаимодействия скандия с алюминием в богатой алюминием части системы А!-Бс//Известия АН СССР. Металлы. 1973. № 4. С. 213-217.
2. Дриц М.Е., Туркина Н.И., Каданер Э.С., Добаткина Т.В. Структура и механические свойства сплавов алюминий-скандий//Редкие металлы в цветных сплавах. - М.: Наука, 1975. С. 160-167.
3. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г. Влияние РЗМ на механические свойства сплава А!-6,5 % Mg//Металловедение и термическая обработка металлов. 1980. № 10. С. 35-37.
4. Дриц М.Е., Павленко С.Г., Торопова Л.С. и др. //О механизме влияния скандия на повышение прочности и термической стабильности сплавов системы Al-Mg//Доклады АН СССР. 1981. Т. 257, № 2. С. 353-356.
5. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г. и др. Рекристаллизация сплавов А!-Бс//Известия АН СССР. Металлы. 1982. № 1. С. 173-178.
6. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г. и др. Метастабильная диаграмма состояния в области, богатой алюминием//Известия АН СССР. Металлы. 1983. № 1. С. 179-182.
7. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г. Гомогенизация сплавов системы A!-Mg-Бc//Ме-талловедение и термическая обработка металлов. 1983. № 7. С. 60-63.
8. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Гущина Ф.Л. О характере физико-химического взаимодействия в богатой алюминием части системы А!-Бс-Мп//Металлы. 1984. № 4. С. 221-224.
9. Дриц М.Е., Бер Л.Б., Быков Ю.Г. и др. Старение сплавов А!-0,3 % ат. Бс//Физика металлов и металловедение. 1984. Т. 57. Вып. 6. С. 1172-1179.
10. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г. Влияние дисперсности фазы А!3Бс на рекристаллизацию сплавов А!-Бс//Известия вузов. Цветная металлургия. 1985. № 4. С. 80-84.
11. Наумкин О.П., Терехова В.Ф., Савицкий Е.М. Диаграмма состояния и свойства сплавов системы алюминий-скандий//Известия АН СССР.
Металлы. 1965. № 4. С. 176-182.
12. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справ./Под ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. Т. 1. 992 с.
13. Binary alloy phase diagrams/Editor-in-chief T.B. Massalski//American Society for Metals. Metals Park, Ohio 44073. 1986. V. 1. 1100 p.
14. Захаров В.В. Влияние скандия на структуру и свойства алюминиевых сплавов^Металлове-дение и термическая обработка металлов. 2003. № 7. С. 7-15.
15. Камардинкин А.Н., Добаткина Т.В., Ростова Т.Д. Изотермические сечения системы Al-Sc-Zr при 550 и 600 °С в области, богатой алюминием/металлы. 1991. № 2. С. 214-216.
16. Рохлин Л.Л., Королькова И.Г., Добаткина Т.В. Исследование фазовых равновесий и эффекта упрочнения при старении в богатых алюминием сплавах Al-Zn-Sc// Металлы. 2004. № 4. С. 89-92.
17. Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Болотова М.Н., Королькова И.Г. Исследование фазового состава сплавов системы Al-Cr-Sc в области, богатой алюминием, при температурах 640 и 600 °С//Металлы. 2006. № 4. С. 101-107.
18. Фридляндер И. Н., Рохлин Л .ЛДобаткина Т.В. и др. Диаграмма состояния Al-Li-Sc// Металлы. 1998. № 1. С. 131-135.
19. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р., Лысова Е.В., Леонова Н.П. Исследование растворимости скандия и иттрия в твердом растворе на основе алюминия при 500 и 600 °С//Металлы. 2006. № 2. С. 99-103.
20. Характерова М.Л. Фазовый состав сплавов Al-Cu-Sc при температурах 450 и 500 °С//Ме-таллы. 1991. № 4. С. 191-194.
21. Торопова Л.С., Добаткина Т.В., Характеро-ва М.Л. Фазовые равновесия в алюминиевых сплавах системы алюминий-кремний-скан-дий//Металловедение легких сплавов. - М.: ВИЛС, 1985. С. 54-58.
22. Rokhlin L.L., Dobatkina T.B., Bochvar N.R., Lysova E.V. Investigation of phase equilibria in alloys of the Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc system// J. Alloys and Compounds. 2004. V. 367. P. 10-16.
