Физика металлов и металловедение, 2021, T. 122, № 7, стр. 776-782

ВВЕДЕНИЕ

Одним из ведущих направлений развития авиастроения является снижение веса авиатехники. По данным [1, 2], вес бортовой кабельной сети (БКС) авиаконструкций составляет ~20–25% от общего веса. При этом использование алюминиевых проводов вместо медных позволяет снизить вес БКС до 30% [3–5]. Все это делает алюминий весьма привлекательным материалом для обеспечения электротехнических нужд авиации.

Условия эксплуатации бортовых проводов предусматривают их нагревы до 250°С. Поскольку температура рекристаллизации нелегированного алюминия (типа А7Е) ниже 250°С [6], то задача повышения термической стабильности провода при сохранении уровня электрической проводимости является актуальной. В работах [7, 8] под руководством Добаткина был предложен способ повышения термостойкости алюминия за счет введения добавок редкоземельных металлов (РЗМ, в основном, Ce и La). Данный подход нашел реализацию в составе сплава Al–7% РЗМ (01417 по ТУ 1-809-1038-96), получаемого по гранульной технологии с последующими операциями порошковой металлургии (технология RS/PM).

Ввиду сложности исполнения технологии RS/PM предприятием “НПЦ Магнитной гидродинамики” для производства слитков с мелкодисперсной структурой был предложен способ литья в электромагнитный кристаллизатор (технология ЭМК) [9]. Технология ЭМК обеспечивает скорости охлаждения литой заготовки, сопоставимые со скоростями при технологии RS/PM. В частности, сравнительный анализ электропроводности и прочности волоченой проволоки из сплава 01417 [10], полученного по технологии RS/PM и технологии ЭМК, показал сопоставимые значения.

В то же время оценка свойств электропроводности, прочности и термостойкости, проведенная в [11] в условиях моделирования процесса непрерывного литья и прокатки для сплава состава Al–0.5% Ca–0.5% Fe–0.25% Si–0.2% Zr–0.1% Sc, показала сбалансированное сочетание этих характеристик. Результаты исследования, приведенные в работе [12], показали, что наличие в сплаве 4 мас. % Ca, 1 мас. % Fe и 0,6 мас. % Si позволяет реализовать тип структуры аналогичный структуре сплава 01417 за счет образования дисперсной эвтектики (Al) + Al₄Ca + Al₁₀CaFe₂ + Al₂CaSi₂. Стоит отметить, что использование кальция в качестве легирующей добавки положительно сказывается на снижении общей плотности сплава. А наноразмерные дисперсоиды Al₃Zr (L1₂), формирующиеся в процессе отжига, являются эффективными антирекристаллизаторами за счет торможения движения дислокаций [13–16].

По совокупности приведенных аспектов была сформулирована цель настоящей работы: проведение сравнительного анализа электропроводности, прочности и термостойкости проволоки из сплава на базе системы Al–Ca–Fe–Si–Zr, производимого по технологии ЭМК, и сплава 01417, получаемого по технологии RS/PM.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

Объектом исследования являлся сплав A1KЖЦр расчетного состава Al–1% Ca–0.5% Fe–0.25% Si–0.5% Zr в виде литого прутка диаметром 8 мм, полученного по технологии ЭМК. Поскольку в сплаве 01417 содержится около 9 об. % эвтектической фазы при реализации технологии RS/PM [17], то выбор состава сплава A1KЖЦр определялся ранее полученными результатами по диаграмме состояния Al–Ca–Fe–Si [18, 19] и из расчета суммарной доли вторых фаз около 5 об. % с увеличением доли Al₄Ca в эвтектике [11]. Добавка Zr задана на уровне предельной растворимости элемента при применяемой скорости охлаждения слитка [20–22]. Фактический состав сплава приведен в табл. 1. Сплав приготавливали на базе алюминия марки А85 ГОСТ 11609–2001. Анализ фазового состава производили с помощью программного обеспечения Thermo-Calc (база TTAL5).

Далее из литого прутка холодной прокаткой на вальцах ВЭМ 3М была получена проволока с квадратным сечением 1 × 1 мм. Проволоку подвергали одноступенчатой термической обработке с целью оценки термической стабильности, а также отжигали по двухступенчатым режимам с целью образования в микроструктуре наноразмерных дисперсоидов Al₃Zr (L1₂). Режимы обработки проволоки приведены в табл. 2.

Влияние температуры отжига на удельную электропроводность (далее УЭП) и твердость оценивали на литом образце и холоднокатаном листе толщиной 2 мм, полученном из литого прутка. Температурный диапазон отжигов находился в интервале 300–600°С с шагом 50°С и выдержкой 3 часа на каждой ступени. Величину УЭП оценивали методом вихревых токов на структуроскопе ВЭ-26НП по методике ГОСТ Р ИСО 15549–2009. Значения удельного электросопротивления (УЭС) рассчитывали, как обратную величину от удельной электропроводности. Измерение твердости производили на микротвердомере Metkon DURALINE MH-6 при нагрузке – 1 Н, времени теста – 10 с по методике ГОСТ 2999–75.

Микроструктуру слитков и листов изучали на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 SBH (СЭМ) с использованием энергодисперсионной приставки для микроанализа (МРСА) X-Act Oxford Instruments. Механические испытания холоднокатаной проволоки сечением 1 мм², полученной из литого прутка, проводили на испытательной машине Zwick Roell Z250 по методике ГОСТ 10446–80. Значения удельного электросопротивления проволоки получены с помощью милиомметра GOM-804 по методике ГОСТ 7229–76.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Микроструктура литого прутка характеризуется тонкими прожилками эвтектики по границам дендритных ячеек алюминиевого твердого раствора (Al) (рис. 1а).

Рис. 1.

Микроструктура сплава A1KЖЦр (СЭМ): а – исходное состояние (литой пруток), б – медленное охлаждение.

Наличие первичных кристаллов Al₃Zr (D0₂₃) в структуре прутка не выявлено. Параметр дендритной ячейки (d) составил 2.30 ± 0.07 мкм, что соответствует скорости охлаждения V_c ~ 10³–10⁴ К/с согласно [23]. Расчет фазового состава в условиях метастабильного равновесия по цирконию сплава A1KЖЦр в сравнении со сплавом АК0.5Ж [11] выявил рост долей двух фаз – Al₄Ca и Al₃Zr (L1₂) (табл. 3). Поскольку в сплаве Al–0.5% Fe–0.2% Si–0.2% Zr–0.1% Sс [11] установлено наличие фаз Al₄Ca, Al₁₀CaFe₂ и Al₂CaSi₂ ожидаема реализация в структуре сплава A1KЖЦр данных соединений в составе эвтектики. Анализ структуры медленно закристаллизованного сплава A1KЖЦр (рис. 1б) показал огрубление структурных составляющих, а также выявил наличие соединения Al₃Fe игольчатой морфологии. Согласно [18, 24] изменение фазового состава обусловлено подавлением перитектической реакции L + Al₃Fe → (Al) + Al₁₀CaFe₂ + Al₂CaSi₂.

Анализ изменений в микроструктуре в процессе отжига листа показал, что при 400°С имеет место частичная фрагментация частиц (рис. 2б), выявляемая при сравнении с исходной структурой холоднокатаного сплава (рис. 2а) При температуре отжига 500°С (рис. 2в) наблюдается сфероидизация интерметаллидов кальций-содержащих фаз (Al₄Ca, Al₁₀CaFe₂, Al₂CaSi₂). При 600°С (рис. 2г) имеет место общее огрубление структуры за счет роста частиц, прежде всего Al₁₀CaFe₂, идентифицируемых методом МРСА.

Рис. 2.

Микроструктура (СЭМ) холоднокатаного сплава (листа толщиной 2 мм) в исходном состоянии (а) и после отжига при температурах: 400 (б), 500 (в), 600°С (г).

На образцах из литого прутка и холоднокатаного листа экспериментального сплава также были получены значения УЭС и твердости после отжигов в температурном интервале 300–600°С. Поскольку определение УЭС для литого образца ограничено возможностями измерительного прибора, удельное электросопротивление анализировали только в холоднокатаном сплаве. Анализ значений УЭС в зависимости от режима отжига (рис. 3) выявил снижение значений после 350°С, что вызвано процессом распада (Al) по Zr. При температуре отжига 450°С УЭС составляет 30.9 нОм м, минимальное значение – 30.0 нОм м достигается в результате отжига при 500°С. После отжига при 550°С эта величина составляет 30.3 нОм м. Полученные значения после отжига при 450°С говорят о стабильности фазового состава при высоких температурах. Общий разброс значений невелик и составляет 9.4 нОм м.

Рис. 3.

Влияние температуры отжига на удельное электросопротивление (а) и твердость (б) экспериментальных образцов из сплава A1KЖЦр.

Анализ зависимостей твердости литого и деформированного сплава от температуры отжига выявил интересное соотношение: деформационное упрочнение холоднокатаного листа (с разницей в ~30 HV относительно литого сплава) сохраняется до 300°С включительно. Поскольку данная температура недостаточна для прохождения распада (Al) по Zr, такой эффект можно объяснить отсутствием структурных изменений эвтектических фаз при нагреве, и можно говорить об их термической стабильности. Незначительное колебание значений при 350°С, вероятно, обусловлено процессом образования зон Гинье–Престона и предвыделений [25, 26], характерных для начала распада (Al) по Zr. При температуре свыше 450°С для холоднокатаного листа характерно разупрочнение, что объясняется процессами изменения микроструктуры, описанными выше, изменением модификации частиц фазы Al₃Zr c L1₂ на D0₂₃ [25, 26] и далее закономерно протекающим процессом рекристаллизации [16, 19]. Литой сплав также демонстрирует стабильность значений твердости до температуры 350°С. Затем при температуре отжига 450°С, соответствующей максимальной скорости распада (Al) по Zr, твердость достигает максимума (~60 HV). Отжиг при температуре выше 450°С приводит к разупрочнению, что вызвано огрублением структуры за счет формоизменения и роста частиц. Примечательно, что при температуре отжига 450°С значения HV для прутка и для листа практически одинаковы. Поскольку при этой температуре происходит фрагментация Ca-содержащих частиц (рис. 2а–2в), и следовало бы ожидать процесса движения дислокаций, то вероятно при этой температуре основную роль выполняют дисперсоиды Al₃Zr (L1₂), сохраняющие размер около 10 нм [6, 16].

Основываясь на полученном в процессе отжигов эффекте упрочнения, термостойкости, а также показателях УЭС холоднокатаного листа и литого прутка (рис. 3) была определена дальнейшая схема получения проволоки. Схема термомеханической обработки состояла в получении холоднокатаной проволоки сечением 1 мм² (степень обжатия 98%) и проведении ступенчатых отжигов проволоки с целью выделения дисперсоидов Al₃Zr (L1₂) из (Al) (табл. 2) [6, 13]. Результаты механических испытаний на одноосное растяжение, а также полученные значения электросопротивления проволоки в исходном состоянии, после ступенчатых отжигов приведены в табл. 4. Объектом сравнения являлась холоднокатаная проволока из сплава 01417, полученная по технологии RS/PM [7].

Как видно из табл. 4, холоднокатаная проволока (S0) из экспериментального сплава A1KЖЦр обладает более высоким пределом прочности и сопоставимой пластичностью по сравнению с проволокой из сплава 01417 в аналогичном состоянии. Низкие значения удельного электросопротивления для проволоки из сплава A1KЖЦр в состоянии S0 обусловлены, прежде всего, цирконием, растворенным в твердом растворе алюминия. Последующая термическая обработка позволяет существенно снизить удельное электросопротивление до уровня УЭС сплава 01417. Двухступенчатый отжиг по режиму S400 снижает предел прочности на 60 МПа, при неизменной пластичности. А отжиг по режиму S450 снижает прочность до 180 МПа, при росте абсолютного значения пластичности и электропроводности (как обратной величине электросопротивления). Полученные результаты показывают, что обработка проволоки из сплава A1KЖЦр по режиму S450 позволяет достичь уровня свойств сопоставимого со свойствами проволоки из сплава 01417. Фрактограммы проволоки в исходном состоянии (S0) и состоянии S450 демонстрируют вязкие мелкоямочные изломы (рис. 4). Изломы проволоки образованы при осевом растяжении и имеют локальное утонение (шейку) в месте наибольшей локализации деформации.

Рис. 4.

Фрактограммы холоднокатаной проволоки сечением 1 мм² из сплава A1KЖЦр после испытания на разрыв (СЭМ): а) исходное состояние (S0), б) S450 (см. табл. 2). BSE – детектор обратно отраженных электронов, SE – детектор вторичных электронов.

Особого внимания заслуживают значения механических свойств экспериментальной проволоки после одноступенчатого отжига при 300°С (ST300). Поскольку при данной температуре цирконий не оказывает своего влияния [6, 17], то полученный эффект может быть обусловлен только устойчивостью к нагревам структурных составляющих эвтектического происхождения. Данные значения демонстрируют возможность получения термически стабильного проводникового материала на базе системы Al–Ca–Fe–Si, что влечет за собой дополнительное преимущество в экономических показателях.

ВЫВОДЫ

1. Изучено влияние температуры отжига на структуру, удельное электросопротивление и твердость холоднокатаного листа из сплава Al–1% Ca–0.5% Fe–0.25% Si–0.5% Zr, полученного из прутка, отлитого по технологии литья в электромагнитный кристаллизатор. Установлено, что отжиг снижает электросопротивление и при 450°С оно составляет 0.031 мкОм м. Значения твердости для листа остаются высокими и практически не меняются до 450°С.

2. Экспериментальным путем установлено, что холоднокатаная проволока из сплава Al–1% Ca–0.5% Fe–0.25% Si–0.5% Zr, полученного с применением технологии литья в электромагнитный кристаллизатор, обладает более высоким пределом прочности, сопоставимой пластичностью по сравнению с проволокой из сплава Al–7% РЗМ, полученного по технологии RS/PM. Однако высокое электросопротивление материала за счет растворенного циркония требует проведения термической обработки.

3. Показано, что достичь сопоставимого со сплавом Al–7% РЗМ уровня свойств прочности, электропроводности и пластичности на проволоке из сплава Al–1% Ca–0.5% Fe–0.25% Si–0.5% Zr позволяет двухступенчатый отжиг при температурах 350 и 450°С с выдержкой 3 ч на каждой ступени.

4. Установлено, что за счет образования Ca-содержащих фаз эвтектического происхождения возможно обеспечение термической стабильности сплава до 300°С включительно. Это позволяет рассматривать систему Al–Ca–Fe–Si в качестве перспективной для разработки проводниковых экономнолегированных термостойких сплавов.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-79-00239).