The Influence of High Temperature Heat Treatment on the Evolution of Surface Composition of Rapidly Solidified Foils of Al–Mg–Li–Sc–Zr Alloy

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The influence of high-temperature annealing on the composition of surface layers of rapidly solidified Al–Mg–Li–Sc–Zr alloy foils of 1421 grade obtained by centrifugal quenching from the melt has been studied when heated to 380°C in air depending on the holding time. Surface elemental mapping of the foils annealed for 1 h was carried out by scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray microanalysis. The depth distribution of lithium after annealing the samples for 1, 2 and 8 h was studied by nuclear reaction analysis. After short-term annealing for 1 h, the formation of a gradient composition with an increased content of the main alloying elements in the surface layers of annealed foils was found. The thickness of the diffusion layer enriched with lithium is about 3.3 μm. In the 0.3 μm thick near-surface layer, the average lithium concentration is 30 at.%. In contrast to the contact surface, the non-monotonic character of the lithium concentration profiles of the foils near the free surface includes the presence of a sharp maximum at a depth of 0.3 μm: the lithium content increases from 20 at. % in the thin surface layer (0.1 μm) up to 40 at. %. During the annealing process, with increasing holding time, an intensive mass transfer of lithium atoms to the depth of the foils is observed. The thickness of the diffusion layer increases 4 times.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. A. Stolyar

Belarusian State University

Author for correspondence.
Email: uyluana@gmail.com
Belarus, Minsk

V. G. Shepelevich

Belarusian State University

Email: uyluana@gmail.com
Belarus, Minsk

I. I. Tashlykova-Bushkevich

Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics

Email: iya.itb@bsuir.by
Belarus, Minsk

R. Wu

Harbin Engineering University

Email: uyluana@gmail.com
China, Harbin

E. Wendler

Friedrich Schiller University

Email: uyluana@gmail.com
Germany, Jena

References

  1. Pinomaa T., Laukkanen A., Provatas N. // MRS Bull. 2020. V. 45. № 11. P. 910. https://doi.org/10.1557/mrs.2020.274
  2. Kurz W., Rappaz M., Trivedi R. // Int. Mater. Rev. 2020. V. 66. № 1. P. 30. https://doi.org/10.1080/09506608.2020.1757894
  3. Gu Y., He X., Han D. // Computational Mater. Sci. 2021. V. 199. P. 110812. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110812
  4. Tsaknopoulos K., Walde C., Champagne Jr.V., Cote D. // JOM. 2019. V. 71. № 1. P. 435. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.09.017
  5. Маликов А.Г., Голышев А.А., Витошкин И.Е. // Прикладная механика и техническая физика. 2023. Т. 64. № 1. С. 36. https://doi.org/10.15372/PMTF202215159
  6. Wang Y., Zhang Z., Wu R., Sun J., Jiao Y., Hou L., Zhang J., Li X., Zhang M. // Mater. Sci. Eng. A. 2019. V. 745. № 1. P. 411. https://doi.org/10.1016/J.MSEA.2019.01.011
  7. Андрюшкин А.Ю., Галинская О.О., Сигаев А.Б. // Балтийский государственный технический унивеситет. 2015. 104 с.
  8. Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. С. 183.
  9. Овсянников Б.В. // Технология легких сплавов. 2014. № 1. С. 97.
  10. Kuang Q., Wang R., Peng C., Cai Z. // J. Alloys Compd. 2021. V. 883. P. 160937. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160937
  11. Gancarz T., Dobosz A., Bogno P., Cempura G., Schell N., Chulist R., Henein H. // Materials Characterization. 2021. V. 178. P. 111290. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111290
  12. Степанова М.Г., Валяева В.И., Герчикова Н.С., Пархоменко Н.А. // Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов. 1983. № 7. С. 22.
  13. Бродова И.Г., Петрова А.Н., Ширинкина И.Г. // Известия РАН. Сер. физ. 2012. Т. 76. № 11. С. 1378.
  14. Furukawa M., Berbon P.B., Langdon T.G., Horita Z., Nemoto M., Tsenev N.K., Valiev R.Z. // Metall. Mater. Trans. A. 1998. V. 29. P. 169. https://doi.org/10.1007/s11661-998-0170-6
  15. Кайгородова Л.И., Распосиенко Д.Ю., Пушин В.Г., Пилюгин В.П., Смирнов С.В. // Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 2. С. 169.
  16. Malikov A., Orishich A., Bulina N., Karpov E., Sharafutdinov M. // Mater. Sci. Eng. A. 2019. V. 765. P. 138302. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138302
  17. Сивцова П.А., Шепелевич В.Г. Быстрозакаленные материалы и покрытия. // Сборник трудов 7-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции, Москва. 2008. С. 10.
  18. Шепелевич В.Г. // Вестник Белорусского государственного университета. Сер. 1. Физика. Математика. Информатика. 2014. № 2. С. 13.
  19. Ценев Н.К., Перевезенцев В.Н., Щербань М.Ю., Ценев А.Н. // Журнал технической физики. 2010. Т. 80. № 6. С. 68.
  20. Нохрин А.В., Шадрина Я.С., Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Бобров А.А., Лихницкий К.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2022. № 1. С. 24.
  21. Шепелевич В.Г., Бушкевич И.А., Вендлер Э., Ташлыкова-Бушкевич И.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2019. № 6. С. 101. https://doi.org/10.1134/S020735281906012X
  22. Столяр И.А., Шепелевич В.Г., Wendler E., Ташлыкова-Бушкевич И.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 7. С. 96. https://doi.org/10.31857/S1028096021070190
  23. Столяр И.А., Шепелевич В.Г., Ташлыкова-Бушкевич И.И., Wendler E. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2023. № 2. С. 23. https://doi.org/10.31857/S1028096023020139
  24. Mayer M. SIMNRA, a simulation program for the analysis of NRA, RBS and ERDA. New York: American Institute of Physics, 1999. 541 p.
  25. Gurbich A.F. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2010. V. 268. P. 1703. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.011
  26. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Шепелевич В.Г., Столяр И.А., Романчук А.В., Япс А.Р. Быстрозакаленные материалы и покрытия. // Труды XVII Международной научно-технической конференции, Москва. 2020. С. 40.
  27. Вершинин Г.А. // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. №. 8-2 (39). С. 95.
  28. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Яковенко Ю.С., Шепелевич В.Г., Ташлыков И.С. // Физика и химия обработки материалов. 2016. № 3. С. 65.
  29. Schoeberl T., Kumar S. // J. Alloy Compd. 1997. V. 255. P. 135. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(96)02818-6
  30. Soni K.K., Williams D.B., Newbury D.E., Gillen G., Chi P., Bright D.S. // Metall. Mater. Trans. A. 1993. V. 24. P. 2279. https://doi.org/10.1007/BF02648601
  31. Harvey J.-P., Singh S., Oishi K., Acheson B., Turcotte R., Pilon D., Lavoie J., Gange B. // Mater. Des. 2021. V. 198. P. 109293. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109293
  32. Елагин В.И., Захаров В.В., Павленко С.Г., Ростова Т.Д. // Физика металлов и металловедение. 1985. Т. 60. С. 97.
  33. Fuller C.B., Seidman D.N. // Acta Materialia. 2005. V. 53. P. 5415. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.08.015
  34. Wang Y., Zhang S., Wu R., Turakhodjaev N., Hou L., Zhang J., Betsofen S. // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 61. P. 197. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.061
  35. Zhu Y., Zhou M., Geng Y., Zhang S., Xin T., Chen G., Zhou Y., Zhou X, Wu R., Shi Q. // J. Mater. Sci. Technol. 2024. V. 184. P. 245. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.10.019
  36. Дехтяр И.Я. // УФН. 1957. Т. 62. С. 99.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Image of the air-contacting surface of the fast-hardened foil of alloy 1421 annealed at 380°C for 1 h: SEM image obtained in the secondary electron detection mode of the foil section (a) and the corresponding PCMA map of the distribution of the main chemical elements on the surface (b), as well as the distribution of elements obtained in the characteristic X-ray emission of carbon (c), oxygen (d), magnesium (e), aluminium (f), zirconium (g) and scandium (h) atoms.

Download (624KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. PCMA spectrum obtained for the foil section of alloy 1421 (imaged in Fig. 1a), with characteristic lines of chemical elements.

Download (53KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Experimental spectra (dots) of protons with energy 1.4 MeV backscattered by a fast-hardened foil of alloy 1421 annealed at 380°C for 1 h: (a) - surface A; (b) - surface B. The solid grey line is the result of SIMNRA modelling. The kinematic boundaries and partial spectra of Li, C, O and Al series are shown.

Download (173KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Experimental α-particle spectra from the 7Li(p, α)4He reaction for surfaces A (1) and B (2) of alloy 1421 foils annealed at 380°C for 1 (a); 2 (b); 8 h (c).

Download (135KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Depth distribution of lithium atoms in the surface region A (a) and B (b) of alloy 1421 foils annealed at 380°C for 1 (1); 2 (2); 8 h (3).

Download (136KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences