Effect of Zr, Sc, and Hf additions on the microstructure formation of cast ALTEK alloys

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. Aluminum alloys of the Al-Cu-Mn system, alloyed with 23% copper and 1–2% manganese (ALTEK), are distinguished by heat resistance and high mechanical properties due to the formation of nano-dispersed particles of the Al20Cu2Mn3 phase. When exposed to high temperatures (up to 400°C), the particles block the processes of polygonization and recovery, hindering the movement of grain boundaries. A promising direction for improving these alloys is the modification of the cast structure with transition metals (TMs). An insufficient content of TMs does not provide a modifying effect, while an excessive amount leads to a reduction in strength due to the formation of a large number of coarse intermetallic particles. The subject of this work a ALTEK alloys alloyed with Mg, Zr, Sc, and Hf. The purpose of the work is to determine the optimal concentrations of scandium, hafnium, and zirconium required for effective modification of the cast structure of ALTEK alloys during complex alloying. The effect of complex additions of transition metals (Zr, Sc, Hf) on the formation of the cast structure of Base0.15Zr0.05Sc0.05Hf, Base0.1Zr0.14Sc0.16Hf, Base0.1Zr0.2Sc0.16Hf, and Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf alloys is investigated in comparison to the base alloy. The research methods were optical and scanning electron microscopy, and X-ray diffraction analysis. Results and discussion. Modification of the grain structure in alloys with a scandium content of less than 0.20% is not observed, and the average grain structure size is 350 μm. The addition of scandium in the amount of 0.20% and 0.25% leads to a decrease in the average grain diameter to 41.8 μm and 29.7 μm, respectively. Scanning electron microscopy showed that particles of the Al6Mn and Al2CuMg phases are present in all the alloys studied. Particles of the Al3(Sc,Hf,Zr) phase are found in the Base0.1Zr0.2Sc0.16Hf and Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf compositions. X-ray diffraction analysis revealed the Al20Cu2Mn3 phase and small amounts of Al6Mn and Al2CuMg in the base alloy and in the Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf alloy. The structural modification is explained by the precipitation of primary Al3(Sc, Zr, Hf) particles. Application of the results. The obtained results are promising for the development of new materials for the manufacture of aerospace products. Conclusions. The addition of 0.20–0.25% scandium with a zirconium content of 0.1% and hafnium of 0.16% is the most effective.

About the authors

Alina A. Levagina

Siberian State Industrial University

Email: levagina_aa@sibsiu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7270-6008
SPIN-code: 5316-7512
Scopus Author ID: 58809322000
ResearcherId: HJI-8920-2023

Junior researcher

Russian Federation, 654007, Russian Federation, Novokuznetsk, 42 Kirova str.

Evgenii V. Aryshenskii

Siberian State Industrial University

Email: arishenskiy_ev@sibsiu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3875-7749
SPIN-code: 9706-2596
Scopus Author ID: 57192409739
ResearcherId: AAQ-6059-2021

D.Sc. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, 654007, Russian Federation, Novokuznetsk, 42 Kirova str.

Sergey V. Konovalov

Siberian State Industrial University

Email: konovalov@sibsiu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4809-8660
SPIN-code: 4391-7210
Scopus Author ID: 55793190338
ResearcherId: G-3789-2013
https://www.researchgate.net/profile/Sergey-Konovalov-2

D.Sc. (Engineering), Professor

Russian Federation, 654007, Russian Federation, Novokuznetsk, 42 Kirova str.

Dmitry Yu. Rasposienko

M.N. Miheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: rasposienko@imp.uran.ru
ORCID iD: 0000-0002-7670-9054
SPIN-code: 2253-3237
Scopus Author ID: 36919096400
ResearcherId: A-8354-2016
https://www.researchgate.net/profile/Dmitrii-Rasposienko

Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 620990, Russian Federation, Yekaterinburg, 18 S. Kovalevskoy st.

References

  1. Sizyakov V., Bazhin V., Vlasov A. Status and prospects for growth of the aluminum industry // Metallurgist. – 2010. – Vol. 54. – P. 409–414. – doi: 10.1007/s11015-010-9316-z.
  2. Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. – М.: Руда и металлы, 2016. – 256 с. – ISBN 978-5-98191-083-8.
  3. Dar S.M., Liao H. Creep behavior of heat resistant Al–Cu–Mn alloys strengthened by fine (θ′) and coarse (Al20Cu2Mn3) second phase particles // Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 763. – P. 138062. – doi: 10.1016/j.msea.2019.138062.
  4. Crystal substructures of the rotation-twinned T (Al20Cu2Mn3) phase in 2024 aluminum alloy / Z.Q. Feng, Y.Q. Yang, B. Huang, M. Li, Y.X. Chen, J.G. Ru // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 583. – P. 445–451. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.08.200.
  5. Characterization and theoretical calculations of the T (Al20Cu2Mn3)/Al interface in 2024 alloys: TEM and DFT studies / X. Li, X. Chen, Y. Feng, B. Chen // Vacuum. – 2023. – Vol. 210. – P. 111884. – doi: 10.1016/j.vacuum.2023.111884.
  6. Белов Н.А. Обоснование состава и структуры деформируемых сплавов на базе системы Al–Cu–Mn (Zr), не требующих гомогенизации и закалки // Инновационные технологии, оборудование и материальные заготовки в машиностроении: Международная научно-техническая конференция, Москва, 24–26 мая 2022 г.: сборник трудов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2022. – С. 10–13. – EDN IXHSHM.
  7. Structure and strength of Al-Mn-Cu-Zr-Cr-Fe ALTEC alloy after radial-shear rolling / A.N. Petrova, D.Yu. Rasposienko, V.V. Astafyev, A.O. Yakovleva // Letters on Materials. – 2023. – Vol. 13 (2). – P. 177–182. – doi: 10.22226/2410-3535-2023-2-177-182.
  8. Effect of heat treatment and deformation on the grain size and mechanical properties of duralumin-type alloys / I.N. Fridlyander, V.V. Berstenev, E.A. Tkachenko, G.M. Goloviznina, L.V. Latushkina, L.P. Lantsova // Metal Science and Heat Treatment. – 2003. – Vol. 45. – P. 239–245. – doi: 10.1023/A:1027316015223.
  9. Phase composition and mechanical properties of Al–1.5%Cu–1.5%Mn–0.35%Zr(Fe, Si) wire alloy / N.A. Belov, N.O. Korotkova, T.K. Akopyan, A.M. Pesin // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 782. – P. 735–746. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.12.240.
  10. Плавление и литье алюминиевых сплавов: монография / В.И. Напалков, В.Ф. Фролов, В.Н. Баранов, С.В. Беляев, А.И. Безруких. – Красноярск: СФУ, 2020. – 716 с. – ISBN 978-5-7638-4269-2.
  11. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. – М.: Металлургия, 1975. – 248 с.
  12. Effect of Sc, Hf, and Yb additions on superplasticity of a fine-grained Al-0.4%Zr alloy / A.V. Nokhrin, M.Yu. Gryaznov, S.V. Shotin, G. Nagicheva, M.K. Chegurov, A.A. Bobrov, V.I. Kopylov, V.N. Chuvildeev // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 133. – doi: 10.3390/met13010133.
  13. Alloying aluminum alloys with scandium and zirconium additives / V.G. Davydov, V.I. Elagin, V.V. Zakharov, D. Rostova // Metal Science and Heat Treatment. – 1996. – Vol. 38. – P. 347–352. – doi: 10.1007/bf01395323.
  14. 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.
  15. Влияние гафния на высокомагниевые сплавы, легированные переходными металлами, при термической обработке / И.А. Зорин, Е.В. Арышенский, Е.А. Кудрявцев, А.М. Дриц, С.В. Коновалов // Frontier Materials & Technologies. – 2024. – № 1. – С. 29–36. – doi: 10.18323/2782-4039-2024-1-67-3.
  16. Захаров В.В., Филатов Ю.А. Экономнолегированные скандием алюминиевые сплавы // Технология легких сплавов. – 2021. – № 4. – С. 31–37. – doi: 10.24412/0321-4664-2021-4-31-37.
  17. Effect of hafnium on the microstructure formation during high-temperature treatment of high-magnesium aluminum alloys microalloyed with scandium and zirconium / A.A. Ragazin, E.V. Aryshenskii, I.A. Zorin, E.A. Kudryavtsev, A.M. Drits, S.V. Konovalov // Physical Mesomechanics. – 2025. – Vol. 28. – P. 535–546. – doi: 10.1134/S1029959924601702.
  18. Quantitative analysis of the Al–Cu–Mn–Zr phase diagram as a base for deformable refractory aluminum alloys / A.R. Toleuova, N.A. Belov, V.V. Chervyakova, A.N. Alabin // Metal Science and Heat Treatment. – 2012. – Vol. 54 (7). – P. 402–406. – doi: 10.1007/s11041-012-9521-4.
  19. Belov N.A., Alabin A.N. Energy efficient technology for Al–Cu–Mn–Zr sheet alloys // Materials Science Forum. – 2013. – Vol. 765. – P. 13–17. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.765.13' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.765.13.
  20. Simultaneous increase of electrical conductivity and hardness of Al–1.5 wt.% Mn alloy by addition of 1.5 wt.% Cu and 0.5 wt.% Zr / N. Belov, A. Alabin, A. Aleshchenko, V. Mann, K. Tsydenov // Metals. – 2019. – Vol. 9 (12). – P. 1246. – doi: 10.3390/met9121246.
  21. Belov N.A., Alabin A.N., Matveeva I.A. Optimization of phase composition of Al–Cu–Mn–Zr–Sc alloys for rolled products without requirement for solution treatment and quenching // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 583. – P. 206–213. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.08.202.
  22. Малыгин Г.А. Прочность и пластичность нанокристаллических материалов и наноразмерных кристаллов // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181, № 11. – С. 1129–1156. – doi: 10.3367/UFNr.0181.201111a.1129.
  23. Влияние технологических факторов на структуру и свойства Al–Cu–Mg–Si-сплава, полученного селективным лазерным сплавлением / А.Н. Петрова, А.И. Кленов, И.Г. Бродова, Д.Ю. Распосиенко, А.А. Пильщиков, Н.Ю. Орлова // Физика металлов и металловедение. – 2023. – Т. 124, № 10. – С. 961–970. – doi: 10.31857/S0015323023600922.
  24. Mondal C., Mukhopadhyay A.K. On the nature of T(Al2Mg3Zn3) and S(Al2CuMg) phases present in as-cast and annealed 7055 aluminum alloy // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 391 (1–2). – P. 367–376. – doi: 10.1016/j.msea.2004.09.013.
  25. Dendrite morphology evolution of Al6Mn phase in suction casting Al–Mn alloys / Z. Chen, Z. Li, K. Zhao, H. Zhang, H. Nagaumi // Materials. – 2020. – Vol. 13 (10). – P. 2388. – doi: 10.3390/ma13102388.
  26. -D morphology and growth mechanism of primary Al6Mn intermetallic compound in directionally solidified Al-3at.%Mn alloy / H. Kang, X. Li, Ya. Su, D. Liu, J. Guo, H. Fu // Intermetallics. – 2020. – Vol. 23. – P. 32–38. – doi: 10.1016/j.intermet.2011.12.015.
  27. Influence of Al2Cu morphology on the incipient melting characteristics in B206 Al alloy / A. Lombardi, W. Mu, C. Ravindran, N. Dogan, M. Barati // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 747. – P. 131–139. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.02.329.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Note

Funding

The study was funded by the Russian Science Foundation grant No. 24-19-00064, https://rscf.ru/project/24-19-00064/



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».