Особенности формирования микроструктуры алюминиевых сплавов АК4-1 и АК12Д после их совместной обработки трением с перемешиванием

Обработка трением с перемешиванием – один из современных методов локального модифицирования поверхности алюминиевых сплавов в твердофазном состоянии, обеспечивающий диспергирование структурных составляющих. В термически упрочняемых алюминиевых сплавах со структурой матричного типа последующая после обработки трением с перемешиванием термообработка может приводить к аномальному росту зерен в зоне перемешивания. Однако в сплавах, структура которых близка к микродуплексному типу, после обработки трением с перемешиванием и термообработки может сформироваться мелкозернистая структура. Работа направлена на оценку возможности повышения термической стабильности микроструктуры алюминиевого сплава АК4-1 (Al–Cu–Mg–Fe–Si–Ni) матричного типа. Для этого в исследуемый сплав обработкой трением с перемешиванием локально замешивался алюминиевый сплав АК12Д (Al–Si–Cu–Ni–Mg) со структурой, близкой к микродуплексному типу. Последующая упрочняющая термообработка проводилась по стандартному режиму для сплава АК4-1. Исследования показали, что зона перемешивания имеет эллиптическую форму со структурой «луковичных колец». Такая структура представляет собой чередующиеся кольца с разным количеством и размером избыточных фаз. При этом в центре зоны перемешивания ширина колец и средняя площадь избыточных фаз больше по сравнению с периферией зоны перемешивания, где ширина колец и средняя площадь частиц меньше. Средняя площадь частиц избыточных фаз в кольцах с бóльшим их содержанием меньше по сравнению с кольцами, где их количество ниже. Такое распределение избыточных фаз приводит к формированию мелкозернистой микроструктуры, средний размер которой зависит от межчастичного расстояния в α-Al твердом растворе.

1. Zykova A.P., Tarasov S.Yu., Chumaevskiy A.V., Kolubaev E.A. A Review of friction stir processing of structural metallic materials: process, properties, and methods // Metals. 2020. Vol. 10. № 6. Article number 772. DOI: 10.3390/met10060772.

2. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2005. Vol. 50. № 1-2. P. 1–78. DOI: 10.1016/j.mser.2005.07.001.

3. Mirian Mehrian S.S., Rahsepar M., Khodabakhshi F., Gerlich A.P. Effects of friction stir processing on the microstructure, mechanical and corrosion behaviors of an aluminum-magnesium alloy // Surface and Coatings Technology. 2021. Vol. 405. Article number 126647. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126647.

4. Croteau J.R., Jung J.G., Whalen S.A. et al. Ultrafine-grained Al–Mg–Zr alloy processed by shear-assisted extrusion with high thermal stability // Scripta Materialia. 2020. Vol. 186. P. 326–330. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.05.051.

5. He Ch., Li Y., Wei J., Zhang Zh., Tian N., Qin G., Zhao X. Enhancing the mechanical performance of Al–Zn–Mg alloy builds fabricated via underwater friction stir additive manufacturing and post-processing aging // Journal of Materials Science and Technology. 2022. Vol. 108. P. 26–36. DOI: 10.1016/j.jmst.2021.08.050.

6. Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2010. 511 с.

7. Heidarzadeh A., Mironov S., Kaibyshev R. et al. Friction stir welding/processing of metals and alloys: a comprehensive review on microstructural evolution // Progress in Materials Science. 2021. Vol. 117. Article number 100752. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100752.

8. Feng X., Liu H., Lippold J.C. Microstructure characterization of the stir zone of submerged friction stir processed aluminum alloy 2219 // Materials Characterization. 2013. Vol. 82. P. 97–102. DOI: 10.1016/j.matchar.2013.05.010.

9. Rhodes C.G., Mahoney M.W., Bingel W.H., Spurling R.A., Bampton C.C. Effects of friction stir welding on microstructure of 7075 aluminum // Scripta Materialia. 1997. Vol. 36. № 1. P. 69–75. DOI: 10.1016/S1359-6462(96)00344-2.

10. Fonda R.W., Bingert J.F. Microstructural evolution in the heat-affected zone of a friction stir weld // Metallurgical and Materials Transactions A. 2004. Vol. 35. P. 1487–1499. DOI: 10.1007/s11661-004-0257-7.

11. Qin H., Zhang H., Wu H. The evolution of precipitation and microstructure in friction stir welded 2195-T8 Al–Li alloy // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 626. P. 322–329. DOI: 10.1016/j.msea.2014.12.026.

12. Zuiko I.S., Mironov S., Betsofen S., Kaibyshev R. Suppression of abnormal grain growth in friction-stir welded Al–Cu–Mg alloy by lowering of welding temperature // Scripta Materialia. 2021. Vol. 196. Article number 113765. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2021.113765.

13. Charit I., Mishra R.S. Abnormal grain growth in friction stir processed alloys // Scripta Materialia. 2008. Vol. 58. P. 367–371. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.09.052.

14. Kalinenko A., Vysotskiy I., Malopheyev S., Mironov S., Kaibyshev R. New insight into the phenomenon of the abnormal grain growth in friction-stir welded aluminum // Materials Letters. 2021. Vol. 302. Article number 130407. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130407.

15. Khodabakhshi F., Simchi A., Kokabi A.H., Gerlich A.P., Nosko M. Effects of post-annealing on the microstructure and mechanical properties of friction stir processed Al–Mg–TiO2 nanocomposites // Materials and Design. 2014. Vol. 63. P. 30–41. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.05.065.

16. Humphreys F.J. A unified theory of recovery, recrystallization and grain growth, based on the stability and growth of cellular microstructures – I. The basic model // Acta Materialia. 1997. Vol. 45. № 10. P. 4231–4240. DOI: 10.1016/S1359-6454(97)00070-0.

17. Humphreys F.J. A unified theory of recovery, recrystallization and grain growth, based on the stability and growth of cellular microstructures – II. The effect of second-phase particles // Acta Materialia. 1997. Vol. 45. № 12. P. 5031–5039. DOI: 10.1016/S1359-6454(97)00173-0.

18. Khalikova G.R., Zakirova G.R., Farkhutdinov A.I., Korznikova E.A., Trifonov V.G. Surface hardening of an Al–Si–Cu–Ni–Mg aluminum alloy by friction stir processing and T6 heat treatment // Letters on Materials. 2022. Vol. 12. № 3. P. 255–260. DOI: 10.22226/2410-3535-2022-3-255-260.

19. Khodabakhshi F., Nosko M., Gerlich A.P. Dynamic restoration and crystallographic texture of a friction-stir processed Al–Mg–SiC surface nanocomposite // Materials Science and Technology. 2018. Vol. 34. № 14. P. 1773–1791. DOI: 10.1080/02670836.2018.1490858.

20. Ma Z.Y., Sharma S.R., Mishra R.S. Microstructural modification of as-cast Al–Si–Mg alloy by friction stir processing // Metallurgical and Materials Transactions A. 2006. Vol. 37. P. 3323–3336. DOI: 10.1007/BF02586167.

21. Yang J., Wang D., Xiao B.L., Ni D.R., Ma Z.Y. Effects of rotation rates on microstructure, mechanical properties, and fracture behavior of friction stir-welded (FSW) AZ31 magnesium alloy // Metallurgical and Materials Transactions A. 2013. Vol. 44. P. 517–530. DOI: 10.1007/s11661-012-1373-4.

22. Cui G.R., Ma Z.Y., Li S.X. Periodical plastic flow pattern in friction stir processed Al–Mg alloy // Scripta Materialia. 2008. Vol. 58. № 12. P. 1082–1085. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2008.02.003.

23. Andrade D.G., Leitão C., Dialami N., Chiumenti M., Rodrigues D.M. Analysis of contact conditions and its influence on strain rate and temperature in friction stir welding // International Journal of Mechanical Sciences. 2021. Vol. 191. Article number 106095. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2020.106095.

24. Avettand-Fénoël M.-N., Taillard R., Laye J., Odiévre T. Experimental investigation of three-dimensional (3-D) material flow pattern in thick dissimilar 2050 friction-stir welds // Metallurgical and Materials Transactions A. 2014. Vol. 45. P. 563–578. DOI: 10.1007/s11661-013-2015-1.

25. Schneider J.A., Nunes A.C. Characterization of plastic flow and resulting microtextures in a friction stir weld // Metallurgical and Materials Transactions B. 2004. Vol. 35. P. 777–783. DOI: 10.1007/s11663-004-0018-4.

26. Yang B.C., Yan J.H., Sutton M.A., Reynolds A.P. Banded microstructure in AA2024-T351 and AA2524-T351 aluminum friction stir welds: Part I. Metallurgical studies // Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 364. № 1-2. P. 55–65. DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00532-X.

27. Zhou Y.Z., Zhang W., Wang B.Q., Guo J.D. Ultrafine-grained microstructure in a Cu–Zn alloy produced by electropulsing treatment // Journal of Materials Research. 2003. Vol. 18. P. 1991–1997. DOI: 10.1557/JMR.2003.0276.

28. Xu S.W., Deng X.M. A study of texture patterns in friction stir welds // Acta Materialia. 2008. Vol. 56. № 6. P. 1326–1341. DOI: 10.1016/j.actamat.2007.11.016.

29. Ma X., Xu Sh., Wang F., Zhao Y., Meng X., Xie Y., Wan L., Huang Y.Y. Effect of temperature and material flow gradients on mechanical performances of friction stir welded AA6082-T6 joints // Materials. 2022. Vol. 15. № 19. Article number 6579. DOI: 10.3390/ma15196579.

30. Woo W., Choo H., Withers P.J., Feng Z. Prediction of hardness minimum locations during natural aging in an aluminum alloy 6061-T6 friction stir weld // Journal of Materials Science. 2009. Vol. 44. P. 6302–6309. DOI: 10.1007/s10853-009-3868-y.

31. Mehdi H., Mishra R.S. Effect of friction stir processing on mechanical properties and heat transfer of TIG welded joint of AA6061 and AA7075 // Defence Technology. 2021. Vol. 17. № 3. P. 715–727. DOI: 10.1016/j.dt.2020.04.014.