Study of evolution of microstructure and mechanical properties in aluminum alloy 1570 with the addition of 0.5 % hafnium

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Aluminum alloys are in high demand with the aerospace industry. From the viewpoint of various performance characteristic combinations, high-magnesium aluminum alloys with the addition of transition metals, such as Zr and Sc, are among the most future-oriented alloys. Alloy 1570 is one of the most popular in this group. Recent studies demonstrated the positive effect of 0.5 % hafnium addition on as-cast structure. Study objective is to study the effect of the addition of 0.5% hafnium on the structure and properties of aluminum alloy 1570 during thermomechanical treatment. The study addresses the effect of cold rolling, homogenization, and recrystallization annealing on mechanical properties and microstructure of the specimens from alloy 1570 and similar alloy with 0.5 wt. % hafnium addition. Study methodology: for the study, ingots were cast from alloy 1570 with and without additions of 0.5 wt. % of hafnium. The resulting ingots were homogenized for 4 h at 440 °С, followed first by hot rolling and then cold rolling. Cold-rolled specimens were annealed at temperatures 340 °С to 530 °С with a holding time of 3 hours. The homogenized, cold-rolled, and annealed specimens were examined using transmission and light microscopy. In addition, homogenized and cold-rolled specimens were subjected to uniaxial tensile tests to determine the mechanical properties of the studied alloy. Results and discussion. It is revealed that in an alloy containing hafnium, after homogenization annealing, there is a slight decrease in the average particle size and an increase in its total proportion in comparison with alloy 1570. In general, 0.5 % hafnium addition does not significantly affect the mechanical properties. The number of nanoparticles in both alloys increases, as does the yield strength compared to the as-cast state. When heated, both alloys demonstrate an increase in plasticity and a decrease in strength characteristics. Studies of the annealing effect on the grain structure of the studied alloys showed that hafnium increases the tendency of alloy 1570 to recrystallize. However, additional research is required to determine the reasons for this phenomenon.

About the authors

I. A. Zorin

Email: zorin.ia@ssau.ru
ORCID iD: 0000-0001-9349-2494
1. Samara National Research University named after S.P. Korolev, 34 Moskovskoe Shosse, Samara, 443086, Russian Federation; 2. Siberian State Industrial University, 42 Kirova str., Novokuznetsk, 654007, Russian Federation, zorin.ia@ssau.ru

E. V. Arishenskii

Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3875-7749
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, 1. Samara National Research University named after S.P. Korolev, 34 Moskovskoe Shosse, Samara, 443086, Russian Federation; 2. Siberian State Industrial University, 42 Kirova str., Novokuznetsk, 654007, Russian Federation, arishenskiy_ev@sibsiu.ru

A. M. Drits

Email: alexander.drits@samara-metallurg.ru
ORCID iD: 0000-0002-9468-8736
Ph.D. (Engineering), Samara National Research University named after S.P. Korolev, 34 Moskovskoe Shosse, Samara, 443086, Russian Federation, alexander.drits@samara-metallurg.ru

S. V. Konovlov

Email: konovalov@sibsiu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4809-8660
D.Sc. (Engineering), Professor, 1. Samara National Research University named after S.P. Korolev, 34 Moskovskoe Shosse, Samara, 443086, Russian Federation; 2. Siberian State Industrial University, 42 Kirova str., Novokuznetsk, 654007, Russian Federation, konovalov@sibsiu.ru

References

  1. Kaibyshev R., Avtokratova E., Sitdikov O. Mechanical properties of an Al-Mg-Sc alloy subjected to intense plastic straining // Materials Science Forum. – 2010. – Vol. 638–642. – P. 1952–1958. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.638-642.1952' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.638-642.1952.
  2. The phase composition and mechanical properties of the novel precipitation-strengthening Al-Cu-Er-Mn-Zr alloy / S. Amer, O. Yakovtseva, I. Loginova, S. Medvedeva, A. Prosviryakov, A. Bazlov, A. Pozdniakov // Applied Sciences (Switzerland). – 2020. – Vol. 10 (15). – doi: 10.3390/app10155345.
  3. Модифицирование литейных алюминиевых сплавов системы Al–Mg–Si обработкой жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами / В.Б. Деев, Э.Х. Ри, Е.С. Прусов, М.А. Ермаков, А.В. Гончаров // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. – 2021. – Т. 27, № 4. – С. 32–41. – doi: 10.17073/0021-3438-2021-4-32-41.
  4. Филатов Ю.А. Исследование влияния добавок Fe + Ni, Co и Hf на сопротивление ползучести алюминиевого сплава 01570 // Технология легких сплавов. – 2022. – № 3. – С. 4–7. – doi: 10.24412/0321-4664-2022-3-4-7.
  5. Effect of Sc and Zr additions on the microstructure and age hardening of an AlMg3MnCr alloy: structure and age hardening of AlMgMnCrScZr / B. Smola, I. Stulíková, V. Ocenášek, J. Pelcová // Materials Characterization. – 2003. – Vol. 51 (1). – P. 11–20. – doi: 10.1016/j.matchar.2003.09.002.
  6. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Цукров С.Л. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов. – М.: НП «АПРАЛ», 2020. – 552 с. – ISBN 978-5-9906007-8-2.
  7. Impact of Zener-Hollomon parameter on substructure and texture evolution during thermomechanical treatment of iron-containing wrought aluminium alloys / E. Aryshenskii, J. Hirsch, V. Bazhin, R. Kawalla, U. Prahl // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2019. – Vol. 29 (5). – P. 893–906. – doi: 10.1016/S1003-6326(19)64999-X.
  8. Study of the thermal stability of structure and mechanical properties of submicrocrystalline aluminum alloys Al-2.5Mg-Sc-Zr / A.V. Nokhrin, I. Shadrina, V. Chuvil’;deev, V. Kopylov, A.A. Bobrov, M. Gryaznov, A. Sysoev, N. Kozlova, M. Chegurov, N. Berendeev, A. Zheleznov, A. Piskunov, D. Pushkova, A.A. Murashov, D. Revva // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1347. – P. 012058. – doi: 10.1088/1742-6596/1347/1/012058.
  9. Филатов Ю.А. Дальнейшее развитие деформируемых алюминиевых сплавов на основе системы Al–Mg–Sc // Технология легких сплавов. – 2021. – № 2. – С. 12–22. – doi: 10.24412/0321-4664-2021-2-12-22.
  10. Fuller C.B., Murray J.L., Seidman D.N. Temporal evolution of the nanostructure of Al(Sc,Zr) alloys: Part I – Chemical compositions of Al3(Sc1−xZrx) precipitates // Acta Materialia. – 2005. – Vol. 53 (20). – P. 5401–5413. – doi: 10.1016/j.actamat.2005.08.016.
  11. Song M., He Y.H. Investigation of primary Al3(Sc,Zr) particles in Al-Sc-Zr alloys // Materials Science and Technology. – 2011. – Vol. 27 (1). – P. 431–433. – doi: 10.1179/174328409X443236.
  12. Parker B.A., Zhou Z.F., Nolle P. The effect of small additions of scandium on the properties of aluminium alloys // Journal of Materials Science. – 1995. – Vol. 30. – P. 452–458. – doi: 10.1007/bf00354411.
  13. Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys // International Materials Reviews. – 2005. – Vol. 50 (1). – P. 19–44. – doi: 10.1179/174328005X14311.
  14. Alloying aluminum alloys with scandium and zirconium additives / V.G. Davydov, V.I. Elagin, V.V. Zakharov, D. Rostoval // Metal Science and Heat Treatment. – 1996. – Vol. 38 (8). – P. 347–352. – doi: 10.1007/BF01395323.
  15. Seidman D.N., Marquis E.A., Dunand D.C. Precipitation strengthening at ambient and elevated temperatures of heat-treatable Al(Sc) alloys // Acta Materialia. – 2002. – Vol. 50 (16). – P. 4021–4035. – doi: 10.1016/s1359-6454(02)00201-X.
  16. Nucleation and growth of Al3Sc precipitates during isothermal aging of Al-0.55 wt% Sc alloy / K. Yan, Zh. Chen, W. Lu, Ya. Zhao, W. Le, S. Naseem // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 179. – P. 111331. – doi: 10.1016/j.matchar.2021.111331.
  17. Precipitation evolution in Al–0.1Sc, Al–0.1Zr and Al–0.1Sc–0.1Zr (at.%) alloys during isochronal aging / K.E. Knipling, R.A. Karnesky, C.P. Lee, D.C. Dunand, D.N. Seidman // Acta Materialia. – 2010. – Vol. 58. – P. 5184–5195. – doi: 10.1016/J.ACTAMAT.2010.05.054.
  18. Experimental and modelling assessment of ductility in a precipitation hardening AlMgScZr alloy / H. Chen, Z. Chen, G. Ji, S. Zhong, H. Wang, A. Borbély, Y. Bréchet // International Journal of Plasticity. – 2021. – Vol. 139. – doi: 10.1016/j.ijplas.2021.102971.
  19. Brown L.M., Stobbs W.M. The work-hardening of copper-silica // Philosophical Magazine. – 1971. – Vol. 23 (185). – P. 1201–1233. – doi: 10.1080/14786437108217406.
  20. Обоснование технологии изготовления плоского проката из алюминиевых сплавов системы Al–Mg–Sc для аэрокосмической промышленности / В.В. Яшин, В.Ю. Арышенский, И.А. Латушкин, М.С. Тептерев // Цветные металлы. – 2018. – № 7. – С. 75–82. – doi: 10.17580/tsm.2018.07.12.
  21. Zakharov V.V. Combined alloying of aluminum alloys with scandium and zirconium // Metal Science and Heat Treatment. – 2014. – Vol. 56 (5–6). – P. 281–286. – doi: 10.1007/s11041-014-9746-5.
  22. The formation of Al3(ScxZryHf1−x−y)-dispersoids in aluminium alloys / H. Hallem, W. Lefebvre, B. Forbord, F. Danoix, K. Marthinsen // Materials Science and Engineering: A. – 2006. – Vol. 421 (1–2). – P. 154–160. – doi: 10.1016/j.msea.2005.11.063.
  23. Optimization of hardening of Al–Zr–Sc cast alloys / N.A. Belov, A.N. Alabin, D.G. Eskin, V.V. Istomin-Kastrovskii // Journal of Materials Science. – 2006. – Vol. 41. – P. 5890–5899. – doi: 10.1007/s10853-006-0265-7.
  24. Experimental study and thermodynamic modeling of the Al–Sc–Zr system / H. Bo, L.B. Liu, J.L. Hu, Z.P. Jin // Computational Materials Science. – 2017. – Vol. 133. – P. 82–92. – doi: 10.1016/j.commatsci.2017.02.029.
  25. Сплав 1570С – материал для герметичных конструкций перспективных многоразовых изделий РКК «Энергия» / А.В. Бронз, В.И. Ефремов, А.Д. Плотников, А.Г. Чернявский // Космическая техника и технологии. – 2014. – № 4 (7). – С. 62–67.
  26. Автократова Е.В. Перспективный Al-Mg-Sc сплав для самолетостроения // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2007. – Т. 9, № 1. – С. 182–183.
  27. Investigation of the phase relations in the Al-rich alloys of the Al–Sc–Hf system in solid state / L.L. Rokhlin, N.R. Bochvar, J. Boselli, T.V. Dobatkina // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. – 2010. – Vol. 31. – P. 327–332. – doi: 10.1007/s11669-010-9710-z.
  28. Thermal stability of a supersaturated solution of hafnium in aluminium / D.O. Boerma, P.J.M. Smulders, K.G. Prasad, M.M. Cruz, R.M.C. Silva, F. Pleiter // Journal of the Less-Common Metals. – 1988. – Vol. 145 (1–2). – P. 481–496.
  29. Исследование распада пересыщенного твердого раствора в высокомагниевых алюминиевых сплавах со скандием, легированных гафнием / А.М. Дриц, Е.В. Арышенский, Е.А. Кудрявцев, И.А. Зорин, С.В. Коновалов // Frontier Materials & Technologies. – 2022. – № 4. – С. 38–48. – doi: 10.18323/2782-4039-2022-4-38-48.
  30. Zakharov V.V. Stability of the solid solution of scandium in aluminum // Metal Science and Heat Treatment. – 1997. – Vol. 39 (2). – P. 61–66. – doi: 10.1007/BF02467664.
  31. Iwamura S., Miura Y. Loss in coherency and coarsening behavior of Al3Sc precipitates // Acta Materialia. – 2004. – Vol. 52 (3). – P. 591–600. – doi: 10.1016/j.actamat.2003.09.042.
  32. Влияние гафния на литую микроструктуру в сплаве 1570 / И.А. Зорин, Е.В. Арышенский, А.М. Дриц, С.В. Коновалов, В.С. Комаров // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. – 2023. – Т. 29, № 1. – С. 56–65. – doi: 10.17073/0021-3438-2023-1-56-65.
  33. Влияние переходных металлов на микроструктурную композицию алюминиевых сплавов в литом состоянии / И.А. Зорин, А.М. Дриц, Е.В. Арышенский, С.В. Коновалов, Ф.В. Гречников, В.С. Комаров // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2022. – Т. 19, № 4. – С. 520–531. – doi: 10.25712/ASTU.1811-1416.2022.04.011.
  34. Blake N., Hopkins M.A. Constitution and age hardening of Al-Sc alloys // Journal of Materials Science. – 1985. – Vol. 20. – P. 2861–2867. – doi: 10.1007/BF00553049.
  35. Norman A.F., Prangnell P.B., McEwen R.S. The solidification behaviour of dilute aluminium–scandium alloys // Acta Materialia. – 1998. – Vol. 46 (16). – P. 5715–5732. – doi: 10.1016/S1359-6454(98)00257-2.
  36. Influence of the small Sc and Zr additions on the as-cast microstructure of Al–Mg–Si alloys with excess silicon / E. Aryshenskii, M. Lapshov, J. Hirsch, S. Konovalov, V. Bazhenov, A. Drits, D. Zaitsev // Metals. – 2021. – Vol. 11. – P. 1797. – doi: 10.3390/met11111797.
  37. Ocenasek V., Slamova M. Resistance to recrystallization due to Sc and Zr addition to Al-Mg alloys // Materials Characterization. – 2001. – Vol. 47. – P. 157–162. – doi: 10.1016/S1044-5803(01)00165-6.
  38. Effect of modes of heterogenizing annealing before cold rolling on the structure and properties of sheets from alloy 1565ch / M. Kishchik, A. Mikhaylovskaya, A. Kotov, A. Drits, V. Portnoy // Metal Science and Heat Treatment. – 2019. – Vol. 61. – P. 228–233. – doi: 10.1007/s11041-019-00405-2.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».