THERMAL STABILITY OF CAST CONDUCTOR MICROALLOYED ALUMINUM ALLOYS

A. V. Komelkov; Комельков А. В.; A. V. Nokhrin; Нохрин А. В.; A. A. Bobrov; Бобров А. А.; A. A. Shvetsova; Швецова А. А.; N. V. Sakharov; Сахаров Н. В.; M. A. Faddeev; Фаддеев М. А.

doi:10.31857/S0015323022601891

THERMAL STABILITY OF CAST CONDUCTOR MICROALLOYED ALUMINUM ALLOYS

Authors: Komelkov A.V.¹, Nokhrin A.V.¹, Bobrov A.A.¹, Shvetsova A.A.¹, Sakharov N.V.¹, Faddeev M.A.¹
Affiliations:
1. National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod
Issue: Vol 124, No 6 (2023)
Pages: 483-491
Section: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
URL: https://journal-vniispk.ru/0015-3230/article/view/139441
DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323022601891
EDN: https://elibrary.ru/WVBTWX
ID: 139441

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The nucleation of the Al3X (X = Zr, Yb, Er, Hf) particles in the cast conductor Al alloys including the alloys additionally doped with Mg and Si was studied. The alloys were made by induction casting. To investigate the particle nucleation kinetics, the specific electrical resistivity (SER) and microhardness measurements were applied. It was shown that the investigated alloys can be subdivided into three groups. Group I includes the alloys, which the decrease in the SER with increasing annealing temperature takes place in due to the particle nucleation. Group II includes the alloys, which the particle nucleation takes place in during the bulk crystallization. The SER magnitude of such alloy was close to the SER of pure Al. The SER of the alloys of Group III almost doesn’t change during annealing and is 3.0-3.4 ·cm that evidences a high alloy solid solution stability. Using Jonhnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov equation, the particle nucleation kinetics in the Group I alloys was analyzed. The activation energy of the particle nucleation in the Group I alloys was found to be close to the activation energy of volume diffusion, but the values of the decomposition intensity coefficient (n = 0.5-0.8) in Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov equation appeared to be smaller that the theoretical value n = 1.5 typical for the particle nucleation inside the bulk crystal lattice. This contradiction was related to the presence of large primary or eutectic Al3X particles in the alloy structure. The Al-0.25%Zr-0.25%Er-0.15%Si alloy was shown to have the optimal set of properties: the characteristics of this alloy after annealing match the requirements to the alloys being developed: SER less than 2.95 ·cm, microhardness Hv ~ 550 MPa.

Keywords

aluminum alloys, thermal stability, microstructure, electrical resistivity, hardness

References

Матвеев Ю.А., Гаврилова В.П., Баранов В.В. Легкие проводниковые материалы для авиапроводов // Кабели и провода. 2006. Т. 300. № 5. С. 22–24.
Yang C., Masquellier N., Gandiolle C., Sauvage X. Multifunctional properties of composition graded Al wires // Scripta Materialia. 2020. V. 189. P. 21–24. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.07.052
Nokhrin A., Shadrina I., Chuvil’deev V., Kopylov V., Berendeev N., Murashov A., Bobrov A., Tabachkova N., Smirnova E., Faddeev M. Investigation of thermal stability of microstructure and mechanical properties of bimetallic fine-grained wires from Al–0.25% Zr–(Sc,Hf) alloys // Metals. 2022. V. 15. № 1. P. 185. https://doi.org/10.3390/ma15010185
Телешов В.В., Захаров В.В., Запольская В.В. Развитие алюминиевых сплавов для термостойких проводов с повышенной прочностью и высокой удельной электропроводимостью // Технология легких сплавов. 2018. № 1. С. 15–27.
Pozdniakov A.V., Barkov R.Yu. Microstructure and mechanical properties of novel Al–Y–Sc alloys with high thermal stability and electrical conductivity // J. Materials Science and Technology. 2020. V. 36. P. 1–6. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.08.006
Belov N., Akopyan T., Korotkova N., Murashkin M., Timofeev V., Fortuna A. Structure and properties of Ca and Zr containing heat resistance wire aluminum alloy manufactured by electromagnetic casting // Metals. 2021. V. 11. № 2. P. 236. https://doi.org/10.3390/met11020236
Belov N., Murashkin M., Korotkova N., Akopyan T., Timofeev V. Structure and properties of Al–0.6 wt % Zr wire alloy manufactured by direct drawing of electromagnetically cast wire rod // Metals. 2020. V. 10. № 6. P. 769. https://doi.org/10.3390/met10060769
Nokhrin A., Shadrina I., Chuvil’deev V., Kopylov V. Study of structure and mechanical properties of fine-grained aluminum alloys Al–0.6 wt % Mg–Zr–Sc with ratio Zr:Sc = 1.5 obtained by cold drawing // Materials. 2019. V. 12. № 2. P. 316. https://doi.org/10.3390/ma12020316
Чувильдеев В.Н., Нохрин А.В., Шадрина Я.С., Пискунов А.В., Копылов В.И., Берендеев Н.Н., Чепеленко В.Н. Исследование термической стабильности структуры и механических свойств мелкозернистых проводниковых алюминиевых сплавов Al–Mg–Zr–Sc(Yb) // Металлы. 2020. № 5. С. 64–76.
Барков Р.Ю., Яковцева О.А., Мамзурина О.И., Логинова И.С., Медведева С.В., Просвиряков А.С., Михайловская А.В., Поздняков А.В. Влияние Yb на структуру и свойства электропроводного сплава Al–Y–Sc // ФММ. 2020. Т. 121. № 6. С. 667–672. https://doi.org/10.31857/S0015323020060029
Захаров В.В. О легировании алюминиевых сплавов переходными металлами // Металловедение и термич. обр. металлов. 2017. № 2(740). С. 3–8.
Chayoumabadi M.E., Mochugovskiy A.G., Tabachkova N.Yu., Mikhaylovskaya A.V. The influence of minor additions of Y, Sc, and Zr on the microstructural evolution, superplastic behavior, and mechanical properties of AA6013 alloy // J. Alloys Compounds. 2022. V. 900. P. 163 477. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163477
Захаров В.В. Перспективы создания экономнолегированных скандием алюминиевых сплавов // Металловедение и термич. обр. металлов. 2018. № 3(753). С. 40–44.
Harada Y., Dunand D.C. Microstructure of Al3Sc with ternary rare-earth additions // Intermetallics. 2009. V. 17. № 1–2. P. 17–24. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2008.09.002
Mochugovskiy A.G., Mikhaylovskaya A.V. Comparison of precipitation kinetics and mechanical properties in Zr and Sc-bearing aluminum-based alloys // Mater. Letters. 2020. V. 275. P. 128096. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128096
Pozdnyakov A.V., Barkov R.Y., Prosviryakov A.S., Churyumov A.Yu., Golovin I.S., Zolotorevskiy V.S. Effect of Zr on the microstructure, recrystallization behavior, mechanical properties and electrical conductivity of the novel Al–Er–Y alloy // J. Alloys Compounds. 2018. V. 765. P. 1–6. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.163
Поздняков А.В., Осипенкова А.А., Попов Д.А., Махов С.В., Напалков В.И. Влияние малых добавок Y, Sm, Gd, Hf и Er на структуру и твердость сплава Al–0.2% Zr–0.1% Sc // Металловедение и термич. обр. металлов. 2016. № 9(735). С. 25–30.
Barkov R.Y., Mikhaylovskaya A.V., Yakovtseva O.A., Loginova I.S., Prosviryakov A.S., Pozdniakov A.V. Effect of thermomechanical treatment on the microstructure, precipitation strengthening, internal friction, and thermal stability of Al–Er–Yb–Sc alloys with good electrical conductivity // J. Alloys Compounds. 2021. V. 855. P. 157367. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157367
Medvedev A., Murashkin M.Y., Enikeev N., Bikmukhametov I., Valiev R.Z., Hodgson P.D., Lapovok R. Effect of the eutectic Al–(Ce,La) phase morphology on microstructure, mechanical properties, electrical conductivity and heat resistance of Al–4.5(Ce,La) alloy after SPD and subsequent annealing // J. Alloys Compounds. 2019. V. 796. P. 321–330. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.05.006
Medvedev A., Murashkin M.Y., Enikeev N., Valiev R.Z., Hodgson P.D., Lapovok R. Enhancement of mechanical and electrical properties of Al–RE alloys by optimizing rare-earth concentration and thermo-mechanical treatment // J. Alloys Compounds. 2018. V. 745. P. 696–704. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.02.247
Захаров В.В., Фисенко И.А. Влияние небольших добавок переходных металлов на структуру и свойства малолегированного сплава Al–Sc // Технология легких сплавов. 2020. № 3. С. 11–19.
Booth-Morrison C., Mao Z., Diaz M., Dunand D.C., Wolverton C., Seidman D.N. Role of silicon in accelerating the nucleation of Al3(Sc, Zr) precipitates in dilute Al–Sc–Zr alloys // Acta Mater. 2012. V. 60. P. 4740–4752. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.05.036
Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М.: Металлургия, 1975. 233 с.
Поздняков А.В., Айтмагамбетов А.Р., Махов С.В., Напалков В.И. Влияние примесей Fe и Si на структуру и эффект упрочнения при отжиге сплава Al–0.2% Zr–0.1% Sc без и с добавкой Y // ФММ. 2017. Т. 118. № 5. С. 507–512. https://doi.org/10.7868/S0015323017050114
Шматко О.А., Усов Ю.В. Структура и свойства металлов и сплавов. Электрические и магнитные свойства металлов. Киев: Наукова думка, 1987. 325 с.
Чувильдеев В.Н., Нохрин А.В., Смирнова Е.С., Копылов В.И. Исследование механизмов распада твердого раствора в литых и микрокристаллических сплавах системы Al–Sc. III. Анализ экспериментальных данных // Металлы. 2012. № 6. С. 82–91.
Martin J.W. Micromechanisms in Particle-Hardened Alloys. Cambridge: Cambridge University Press, 1980. 167 p.
Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. Часть 1. Термодинамика и общая кинетическая теория. М.: Мир, 1978. 806 с.
Чувильдеев В.Н., Смирнова Е.С., Копылов В.И. Исследование механизмов распада твердого раствора в литых и микрокристаллических сплавах системы Al–Sc. II. Модель распада твердого раствора при образовании когерентных частиц второй фазы // Металлы. 2012. № 4. С. 70–84.
Чувильдеев В.Н., Шадрина Я.С., Нохрин А.В., Копылов В.И., Бобров А.А., Грязнов М.Ю., Шотин С.В., Табачкова Н.Ю., Пискунов А.В., Чегуров М.К., Мелехин Н.В. Исследование термической стабильности структуры и механических свойств субмикрокристаллических алюминиевых сплавов Al–0.5% Mg–Sc // Металлы. 2021. № 1. С. 10–28.