Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University102710.18323/2782-4039-2025-1-71-6ArticlesСтатьиResearch ArticleEffect of erbium and hafnium microalloying on the formation of Al3Sc particles in aluminium alloy with a high magnesium contentВлияние микролегирования эрбием и гафнием на формирование частиц Al3Sc в алюминиевом сплаве с высоким содержанием магнияhttps://orcid.org/0000-0002-6762-7436RagazinAleksandr A.РагазинАлександр Алексеевич
Russian Federation

engineer of Aviation Materials Study Industrial Research Laboratory (ONIL-4)

инженер отраслевой научно-исследовательской лаборатории авиационного материаловедения № 4 (ОНИЛ-4)

sanekragazin63@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3875-7749AryshenskiyEvgeny V.АрышенскийЕвгений Владимирович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), PhD, Associate Professor, chief researcher of Scientific Research Department

доктор технических наук, PhD, доцент, главный научный сотрудник управления научных исследований

arishenskiy_ev@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6869-4764AryshenskiyVladimir Yu.АрышенскийВладимир Юрьевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, chief researcher of Aviation Materials Study Industrial Research Laboratory (ONIL-4)

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отраслевой научно-исследовательской лаборатории авиационного материаловедения № 4 (ОНИЛ-4)

arysh54@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7670-9054RasposienkoDmitry Yu.РаспосиенкоДмитрий Юрьевич
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher of the Laboratory of Non-ferrous Alloys

кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории цветных сплавов

dmitrijrasp@gmail.comKonovalovSergey V.КоноваловСергей Валерьевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, chief researcher of Aviation Materials Study Industrial Research Laboratory (ONIL-4), Pro-rector for Research and Innovative Activities

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отраслевой научно-исследовательской лаборатории авиационного материаловедения № 4 (ОНИЛ-4), проректор по научной и инновационной деятельности

konovalov@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0009-0004-3081-9049BakhtegareevInzil D.БахтегареевИнзиль Дамирович
Russian Federation

master

магистр

inzilbah@ya.ruAcademician S.P. Korolev Samara National Research UniversityСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. КоролеваSiberian State Industrial UniversityСибирский государственный индустриальный университетM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of RASИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН31032025169803103202531032025Copyright ©; 2025, Ragazin A.A., Aryshenskiy E.V., Aryshenskiy V.Y., Rasposienko D.Y., Konovalov S.V., Bakhtegareev I.D.Copyright ©; 2025, Рагазин А.А., Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю., Распосиенко Д.Ю., Коновалов С.В., Бахтегареев И.Д.2025Ragazin A.A., Aryshenskiy E.V., Aryshenskiy V.Y., Rasposienko D.Y., Konovalov S.V., Bakhtegareev I.D.Рагазин А.А., Арышенский Е.В., Арышенский В.Ю., Распосиенко Д.Ю., Коновалов С.В., Бахтегареев И.Д.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/1027

The paper studies the effect of hafnium and erbium additives on the microstructure formation during heat treatment of aluminium alloys with a high magnesium content additionally alloyed with scandium and zirconium. For the study, ingots of aluminium alloys with a high content of magnesium alloyed with scandium, erbium and hafnium with a content in the ranges of 0.03–0.16 % and 0.05–0.16 %, respectively, were produced by casting in a steel chill mould. After casting, the samples were treated with heat at a temperature of 370 and 440 °C with a holding time of 2 to 96 h. Changes in microhardness depending on the heat treatment were studied. For 1590-3 and 1590-4 alloys in the as-cast condition and after heat treatment at a temperature of 440 °C for 2 and 48 h, the fine microstructure and coarse intermetallic compounds were studied using transmission microscopy. The study found that additions of hafnium and erbium lead to an increase in microhardness due to a decrease in the size and an increase in the number of Al3Sc nanoparticles. After heat treatment at a temperature of 440 °C for 4 h, Al3Sc particles of the same size (8 nm) and density precipitate in all the alloys under study. However, with an increase in the holding time in the alloy with a lower hafnium content and a higher erbium content, the particle size increases by 2 times compared to the particles of the alloy where the hafnium content is higher and the erbium content is low.

Исследовано влияние добавок гафния и эрбия на формирование микроструктуры при термической обработке алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния, дополнительно легированных скандием и цирконием. Для исследования методом литья в стальной кокиль были получены слитки из алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния, легированного скандием, эрбием и гафнием с содержанием в диапазонах 0,03–0,16 % и 0,05–0,16 % соответственно. После отливки образцы подвергали термической обработке при температуре 370 и 440 °С с выдержкой от 2 до 96 ч. Были исследованы изменения микротвердости в зависимости от термической обработки. Для сплавов 1590-3 и 1590-4 в литом состоянии и после термической обработки при температуре 440 °С в течение 2 и 48 ч с помощью просвечивающей микроскопии исследовали тонкую микроструктуру и крупные интерметаллиды. Установлено, что добавки гафния и эрбия приводят к повышению микротвердости за счет уменьшения размера и увеличения количества наночастиц Al3Sc. После проведения термической обработки при температуре 440 °С в течение 4 ч во всех исследуемых сплавах происходит выпадение частиц Al3Sc, имеющих одинаковый размер (8 нм) и плотность, однако с увеличением времени выдержки в сплаве с меньшим содержанием гафния и большим содержанием эрбия размер частиц увеличивается в 2 раза по сравнению с частицами сплава, где содержание гафния больше, а содержание эрбия низкое.

aluminium alloysmicroalloyingscandiumhafniumerbiumformation of Al3Sc particlesmicrohardnessmicrostructurenanoparticlesалюминиевые сплавымикролегированиескандийгафнийэрбийформирование частиц Al3ScмикротвердостьмикроструктурананочастицыThe study was supported by the grant of the Russian Science Foundation No. 22-19-00810, https://rscf.ru/project/22-19-00810/.Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00810, https://rscf.ru/project/22-19-00810/.Ibrokhimov S.Zh., Ganiev I.N., Eshov B.B. Hardness and strength of AMg4 alloy hardened with rare-earth metals (Sc, Y, La, Pr, Nd). Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2023, no. 1, pp. 74–82. EDN: BATVYU.Иброхимов С.Ж., Ганиев И.Н., Эшов Б.Б. Твердость и прочность сплава АМг4, легированного редкоземельными металлами (Sc, Y, La, Pr, Nd) // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2023. № 1. С. 74–82. EDN: BATVYU.Kokovin P.L., Maltseva T.V. About the possibility of changing the technology for producion of large-sized flat ingots from AMg3 aluminum alloy. Tekhnologiya legkikh splavov, 2024, no. 1, pp. 29–35. DOI: 10.24412/0321-4664-2024-1-29-35.Коковин П.Л., Мальцева Т.В. О возможности изменения технологии получения крупногабаритных плоских слитков из алюминиевого сплава АМг3 // Технология легких сплавов. 2024. № 1. С. 29–35. DOI: 10.24412/0321-4664-2024-1-29-35.Mondolfo L.F. Struktura i svoystva alyuminievykh splavov [Aluminium Alloys: Structure and Properties]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1979. 639 p.Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1979. 639 с.Lei Zhiguo, Wen Shengping, Huang Hui, Wei Wu, Nie Zuoren. Grain refinement of aluminum and aluminum alloys by Sc and Zr. Metals, 2023, vol. 13, no. 4, article number 751. DOI: 10.3390/met13040751.Lei Zhiguo, Wen Shengping, Huang Hui, Wei Wu, Nie Zuoren. Grain refinement of aluminum and aluminum alloys by Sc and Zr // Metals. 2023. Vol. 13. № 4. Article number 751. DOI: 10.3390/met13040751.Davydov V.G., Elagin V.I., Zakharov V.V., Rostoval D. Alloying aluminum alloys with scandium and zirconium additives. Metal Science and Heat Treatment, 1996, vol. 38, no. 7-8, pp. 347–352. DOI: 10.1007/bf01395323.Давыдов В.Г., Елагин В.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д. О легировании алюминиевых сплавов добавками скандия и циркония // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. № 8. С. 25–30. EDN: MOVQJR.Zakharov V.V. Alloying of industrial aluminum alloys with scandium. Metal Science and Heat Treatment, 2024, vol. 66, pp. 338–342. DOI: 10.1007/s11041-024-01056-8.Захаров В.В. Легирование промышленных алюминиевых сплавов скандием // Металловедение и термическая обработка металлов. 2024. № 6. С. 18–23. EDN: EPOIUO.Forbord B., Lefebvre W., Danoix F., Hallem H., Marthinsen K. Three dimensional atom probe investigation on the formation of Al3(Sc, Zr)-dispersoids in aluminium alloys. Scripta materialia, 2004, vol. 51, no. 4, pp. 333–337. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.03.033.Forbord B., Lefebvre W., Danoix F., Hallem H., Marthinsen K. Three dimensional atom probe investigation on the formation of Al3(Sc, Zr)-dispersoids in aluminium alloys // Scripta materialia. 2004. Vol. 51. № 4. P. 333–337. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.03.033.Zakharov V.V., Filatov Yu.A. Aluminum alloys sparingly alloyed with scandium. Tekhnologiya legkikh splavov, 2021, no. 4, pp. 31–37. DOI: 10.24412/0321-4664-2021-4-31-37.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.Zakharov V.V., Fisenko I.A., Kunyavskaya T.M. Principles for creating aluminum-based alloys sparingly alloyed with scandium. Metal Science and Heat Treatment, 2024, vol. 66, pp. 294–298. DOI: 10.1007/s11041-024-01049-7.Захаров В.В., Фисенко И.А., Кунявская Т.М. Принципы создания сплавов на основе алюминия, экономнолегированных скандием // Металловедение и термическая обработка металлов. 2024. № 5. С. 39–43. EDN: KPMAYK.Karnesky R.A., Dunand D.C., Seidman D.N. Evolution of nanoscale precipitates in Al microalloyed with Sc and Er. Acta Materialia, 2009, vol. 57, no. 14, pp. 4022–4031. DOI: 10.1016/j.actamat.2009.04.034.Karnesky R.A., Dunand D.C., Seidman D.N. Evolution of nanoscale precipitates in Al microalloyed with Sc and Er // Acta Materialia. 2009. Vol. 57. № 14. P. 4022–4031. DOI: 10.1016/j.actamat.2009.04.034.Liu Xiaomin, Wang Qian, Zhao Chuan, Li Hongping, Wang Mingliang, Chen Dong, Wang Haowei. Formation of ordered precipitates in Al-Sc-Er-(Si/Zr) alloy from first-principles study. Journal of Rare Earths, 2021, vol. 39, no. 5, pp. 609–620. DOI: 10.1016/j.jre.2020.08.005.Liu Xiaomin, Wang Qian, Zhao Chuan, Li Hongping, Wang Mingliang, Chen Dong, Wang Haowei. Formation of ordered precipitates in Al-Sc-Er-(Si/Zr) alloy from first-principles study // Journal of Rare Earths. 2021. Vol. 39. № 5. P. 609–620. DOI: 10.1016/j.jre.2020.08.005.Zorin I.A., Aryshenskiy E.V., Drits A.M., Konovalov S.V., Komarov V.S. Metallurgy Effect of hafnium on cast microstructure in alloy 1570. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Tsvetnaya metallurgiya, 2023, vol. 29, no. 1, pp. 56–65. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-1-56-65.Зорин И.А., Арышенский Е.В., Дриц А.М., Коновалов С.В., Комаров В.С. Влияние гафния на литую микроструктуру в сплаве 1570 // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2023. Т. 29. № 1. С. 56–65. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-1-56-65.Hallem H., Lefebvre W., Forbord B., Danoix F., Marthinsen K. The formation of Al3(ScxZryHf1−x−y)-dispersoids in aluminium alloys. Materials Science and Engineering: A, 2006, vol. 421, no. 1-2, pp. 154–160. DOI: 10.1016/j.msea.2005.11.063.Hallem H., Lefebvre W., Forbord B., Danoix F., Marthinsen K. The formation of Al3(ScxZryHf1−x−y)-dispersoids in aluminium alloys // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 421. № 1-2. P. 154–160. DOI: 10.1016/j.msea.2005.11.063.Hallem H., Forbord B., Marthinsen K. Investigation of Al-Fe-Si alloys with additions of Hf, Sc and Zr. Materials Forum, 2004, vol. 28, pp. 825–831.Hallem H., Forbord B., Marthinsen K. Investigation of Al-Fe-Si alloys with additions of Hf, Sc and Zr // Materials Forum. 2004. Vol. 28. P. 825–831.Zorin I.A., Aryshenskiy E.V., Kudryavtsev E.A., Drits A.M., Konovalov S.V. The influence of hafnium on high-magnesium alloys doped with transition metals during heat treatment. Frontier Materials & Technologies, 2024, no. 1, pp. 29–36. DOI: 10.18323/2782-4039-2024-1-67-3.Зорин И.А., Арышенский Е.В., Кудрявцев Е.А., Дриц А.М., Коновалов С.В. Влияние гафния на высокомагниевые сплавы, легированные переходными металлами, при термической обработке // Frontier Materials & Technologies. 2024. № 1. С. 29–36. DOI: 10.18323/2782-4039-2024-1-67-3.Drits A.M., Aryshenskiy V.Yu., Aryshenskiy E.V., Zakharov V.V. Svarivaemyy termicheski ne uprochnyaemyy splav na osnove sistemy Al-Mg [A thermally non-hardenable welded alloy based on the Al-Mg system], patent na izobretenie RF no. 2726520, 2020. 5 p.Дриц А.М., Арышенский В.Ю., Арышенский Е.В., Захаров В.В. Свариваемый термически не упрочняемый сплав на основе системы Al-Mg: патент на изобретение RU № 2726520, 2020. 5 с.Norman A.F., Prangnell P.B., McEwen R.S. The solidification behaviour of dilute aluminium-scandium alloys. Acta materialia, 1998, vol. 46, no. 16, pp. 5715–5732. DOI: 10.1016/S1359-6454(98)00257-2.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.Blake N., Hopkins M.A. Constitution and age hardening of Al-Sc alloys. Journal of Materials Science, 1985, vol. 20, pp. 2861–2867. DOI: 10.1007/BF00553049.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.Aryshenskii E., Lapshov M., Hirsch J., Konovalov S., Bazhenov V., Drits A., Zaitsev D. Influence of the small Sc and Zr additions on the as-cast microstructure of Al–Mg–Si alloys with excess silicon. Metals, 2021, vol. 11, no. 11, article number 1797. DOI: 10.3390/met11111797.Aryshenskii E., Lapshov M., Hirsch J., Konovalov S., Bazhenov V., Drits A., Zaitsev D. Influence of the small Sc and Zr additions on the as-cast microstructure of Al–Mg–Si alloys with excess silicon // Metals. 2021. Vol. 11. № 11. Article number 1797. DOI: 10.3390/met11111797.Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys. International Materials Reviews, 2005, vol. 50, no. 1, pp. 19–44. DOI: 10.1179/174328005X14311.Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys // International Materials Reviews. 2005. Vol. 50. № 1. P. 19–44. DOI: 10.1179/174328005X14311.