Аннотация результатов, полученных в 2020 году
По результатам анализа литературных данных и термодинамических расчетов при помощи программного комплекса TermoCalc предложены составы и получены сплавы на основе системы Al-Mg-Si-Cu с добавками Ni, Fe, Er, Y, Ce, Sc и Zr. По результатам анализа литературных данных, распада пересыщенного твердого раствора при отжиге слитков исследуемых сплавов и анализа их микроструктуры выбран двухступенчатый режим гомогенизационного отжига, обеспечивающий формирование в исследованных сплавах высокой плотности дисперсоидов со структурным типом L12 и средним размером 10–13 нм, а также фрагментацию и сфероидизацию частиц фаз эвтектического происхождения. Сопоставлением и анализ литературных данных, результатов теоретических термодинамических расчетов, данных рентгенофазового анализа и анализа микроструктуры методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии в литом и гомогенизированном состояниях установлен фазовый состав исследуемых сплавов. В сплавах обнаружены следующие фазы: Mg2Si, Al3Ni, Al9FeNi, Al8Cu4Ce, Al8Cu4Er, Al8Cu4Y и (Al,Cu)11Y3. Показано, что выбранная термомеханическая обработка, включающая горячую прокатку при температуре 420±10 °С с обжатием 75 % и последующую холодную прокатку при комнатной температуре с обжатием 65 % обеспечивает в листах сплавов, легированных эвтектико- и дисперсоидообразующими элементами гетерогенную структуру с бимодальным распределением частиц по размерам включая крупные частицы эвтектического происхождения околосферической морфологией со средним размер 1.3–2.2 мкм и объемной долей 2.8-8.1%, содержащие Ni, Fe, Cu, Y, Er, Ce и равномерно распределенных в матрице наноразмерных дисперсоидов со структурным типом L12. Объемная доля и размер частиц фазы Mg2Si незначительно отличались для всех исследованных сплавов и варьировались в диапазонах 1.3-1.8 % и 1.3-1.7 мкм, соответственно. Частицы эвтектического происхождения обеспечивали эффект предпочтительного зарождения новых зерен при рекристаллизации, в то время как дисперсоиды L12-фазы повышали термическую стабильность зеренной структуры, благодаря эффекту сдерживания роста зерен За счет наноразмерных дисперсоидов сплавы демонстрировали нерекристаллизованную или частично рекристаллизованную структуру с высокой долей малоугловых границ перед началом сверхпластической деформации в интервале температур 440-520 °С. Сочетание эффектов предпочтительного зародышеобразования при рекристаллизации и эффекта сдерживания миграции границ зерен по механизму Зинера во время деформации в интервале скоростей 0.0005-0.05 1/c способствовало прохождению динамической рекристаллизация с формированием микрозеренной структуры со средним размером зерна 4.5-9.9 мкм, что обеспечило проявление сверхпластичности сплавов в выбранном температурно-скоростном диапазоне. По результатам анализа полученного объема данных наиболее перспективными среди рассмотренных являются сплавы, легированные совместно дисперсоидообразующими элементами Sc и Zr и эвтектикообразующими элементами Ni, Fe, а также Y. Выбранные сплавы проявляют сверхпластичность с удлинением более 400 % в широком диапазоне скоростей деформации и температур. Наибольшие удлинения в сплавах с повышенным содержанием скандия (0.2%) наблюдали при 520 °С, в то время как в сплавах с меньшим содержанием скандия (0.1%) наибольшие удлинения, меньшие величины напряжений и более равномерное течение выявлены в интервале температур 460-480 °С. Учитывая уровень показателей сверхпластичности, механических свойств и экономические аспекты, для дальнейших исследований на втором этапе проекта выбран сплав системы Al-Mg-Si-Cu-Fe-Ni с пониженным содержанием скандия. В результате первого этапа реализации проекта решены все поставленный задачи, подготовлен научный отчет, опубликованы статьи в журналах WOS (Materials Science and Engineering:A Q1 https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141319, Materials Q2 https://doi.org/10.3390/ma14082028) и представлены доклады на международных научных конференциях УМЗНМ – 2020 и Ломоносов-2020.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Таким образом, в рамках второго года реализации проекта выполнены все поставленные задачи и достигнуты ожидаемые результаты. Проанализированы режимы термомеханической обработки, включающие горячую и холодную прокатку, а также всестороннюю изотермическую ковку. Выбранные режимы ТМО обеспечивают фрагментацию фаз эвтектического происхождения с образованием частиц размером 1,1-1,7 мкм. Наибольшая однородность распределения и наименьший размер частиц, равный 1.1±0.1 мкм был получен после обработки сплава по режиму, включающему только горячую прокатку с обжатием 95 % при температуре 480 ºС. Режимы термомеханической обработки, сочетающие горячую и холодную прокатку, обеспечивали формирование волокнистой структуры, стабильной при нагреве до температуры сверхпластической деформации. Режимы, включающие ковку и последующую прокатку приводили к формированию частично рекристаллизованной структуры при нагреве до температур сверхпластической деформации. Всесторонняя изотермическая ковка позволила сформировать ультрамелкозернистую структуру со средним размером зерна и субзерна 1.9±0.1 мкм и 1.5±0.1 мкм, соответственно. Однако, в образцах после ковки наблюдалась неоднородность структуры, включающая как участки с ультамелкозернистой структурой, так и участки с нерекристаллизованными волокнами. Проведен сравнительный анализ показателей сверхпластичости листов, обработанных по разным режимам ТМО. Установлено, что все режимы обеспечивают сверхпластичность сплава в скоростном диапазоне 0.002-0.01 1/с и температуре 480 ºС с удлинением более 250-550 % и показателем скоростной чувствительности m более 0,3. После 200 % сверхпластической деформации при скорости 0.01 1/с и температуре 480 ºС размер зерна в образцах, обработанных по разным режимам, отличался незначительно и находился в диапазоне 3.2-4.4 мкм. Предложен оптимальный режим ТМО, включающий только горячую прокатку с обжатием 95 %. Показано, что из-за более равномерного распределения частиц вторичных фаз, данный режим обеспечивает наиболее равномерное напряжение течение, более стабильный показатель скоростной чувствительности m в интервале 0.35-0.45 и удлинение до 530 % в скоростном диапазоне 0.002-0.01 1/с при температуре 480 ºС. Режимы, включающие сочетание горячей и холодной прокатки проявляли большую склонность к динамическому росту зерна при нагреве и меньшей однородности напряжения в процессе деформации. Листы, обработанные по режимам, включающим всестороннюю ковку обладали наибольшим показателем m в диапазоне 0.5-0.6 на начальной стадии деформации, который сильно снижался до 0.3-0.25 из-за интенсивного динамического роста зерна в процессе деформации. В результате, полученные показатели удлинения в образцах, обработаны при помощи ВИК уступали показателям, полученных в листах после традиционной прокатки. Определены показатели сверхпластичности листов, обработанных по оптимальному режиму ТМО, в интервале скоростей деформации 0.002-0.02 1/с в диапазоне температур 440-480 °С. Установлено что при 480 ºС материал деформируется наиболее равномерно во всем скоростном интервале как по уровню удлинения (450-530) %, так и напряжения течения. Для связи напряжения течения листов, обработанных по оптимальному режиму, со скоростью и температурой деформации получено конститутивное уравнение Аррениуса. Установлено, что значения коэффициентов α, n2, Q3 и A3 в гиперболическом определяющем уравнении аррениуса являются функцией деформации в исследованном диапазоне скорость-температура деформации- деформация. Зависимость констант материала от величины деформации позволило предположить, что механизмами деформации является сочетание вязкого скольжения дислокаций и зернограничного скольжения. Коэффициент корреляции (R), средняя абсолютная относительная ошибка (AARE) и среднеквадратическая ошибка (RMSE), полученные для уравнения составляют 95,25%, 5,2% и 1,09, соответственно. Произведено сравнение экспериментальных кривые растяжения в интервале температур 440–500 °С и диапазоне скоростей деформации 0.002-0.02 1/с с кривыми, полученными посредством конститутивных уравнений, и определена корреляция между ними. Установлено, что расчетные напряжения хорошо согласуются с экспериментальными. Таким образом, результаты отражают высокую предсказуемость модифицированного конститутивного уравнения. Для определения параметров процесса формовки сплава (зависимость давления от времени), а также для прогнозирования распределения толщины поперечного сечения после процесса формовки было реализовано моделирование методом конечных элементов с использованием программного комплекса DEFORM 3D. Методом конечных элементов был получен режим формовки. Давление формовочного газа при рассчитано таким образом, чтобы условия формовки соответствовали скорости деформации 0.01 1/с. В результате моделирования по рассчитанному режиму несплошности и повреждения в детали не формировались. Получено распределение толщины поперечного сечения детали. Методом сверхпластической формовки получено модельное изделие. Зависимость давления формовочного газа от времени формовки была выбрана в соответствии с результатами моделирования методом конечных элементов. Распределение толщины смоделированной модели детали хорошо согласуется с толщиной реального изделия. Значения толщины, полученные после моделирования, были близки к экспериментальным значениям с отклонением, не превышающим 8 %. Результаты, полученные посредством моделирования методом конечных элементов демонстрируют возможность использования результатов испытаний на одноосное растяжение для моделирования процесса сверхпластической формовки выбранного сплава. Предложен режим упрочняющей термообработки листов, включающий закалку при 520 ºС и старение в течение 8 ч при 160 ºС, обеспечивающий максимальный уровень механических свойств листов при комнатной температуре. Листы, обработанные по оптимальному режиму ТМО после старения по предложенному режиму имели значения пределе текучести, предела прочности и относительного удлинения, равные 318±1 МПа, 410±1 МПа и 9±1 %, соответственно. В результате второго этапа реализации проекта выполнены все запланированные задачи, написан научный отчет, опубликованы статьи в журналах WOS (Journal of Alloys and Compounds Q1 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163477 , Metals Q1 https://doi.org/10.3390/met12030512) и представлены доклады на международных научных конференциях EuroSPF-2021 и XХI Уральская школа-семинар металловедов — молодых ученых