Взаимосвязь микроструктуры и механического поведения литых композиционных материалов с эндогенным интерметаллидным армированием

Целью настоящего исследования является анализ взаимосвязи параметров микроструктуры и механического поведения литых композиционных материалов системы Al – Al3Ti с учетом современных представлений о механизмах их структурообразования и упрочнения.

Методы. Литые композиционные материалы с эндогенным интерметаллидным армированием получали путем ввода брикетированного порошка титана (>99,5% Ti) фракции <300 мкм в количестве 3 мас. % в алюминиевый расплав состава Al + 7 мас. % Zn + 3 мас. % Mg. Для изучения полученных материалов использовали компьютерные методы количественной металлографии и метод измерения твердости. Взаимосвязь микроструктуры и механического поведения алюмоматричных композитов анализировали с использованием общепринятых теорий армирования. 

Результаты. Показано, что при прямом химическом взаимодействии между порошкообразными частицами металлического титана с алюминиевым расплавом системы Al – Zn – Mg происходит формирование дисперсных частиц Al3Ti, равномерно распределенных по объему материала. Синтезированные частицы имели средний размер 11,42 мкм и занимали долю площади 10,27%. Рассмотрен механизм образования армирующих частиц Al3Ti. Средние значения твердости образцов алюмоматричных композитов в литом состоянии составили 141,6 HB, в то время как твердость неармированной матрицы находилась на уровне 92 HB. Проведен анализ потенциальных механизмов упрочнения литых композиционных материалов, определяющих их механическое поведение во взаимосвязи с процессами структурообразования. 

Заключение. Прямой синтез алюмоматричных композитов с эндогенным интерметаллидным армированием путем ввода брикетированных порошковых прекурсоров в матричный расплав позволил достичь превосходной степени равномерности распределения армирующих частиц без применения специального технологического оборудования. Предположительно, преобладающим механизмом упрочнения литых композиционных материалов системы Al – Al3Ti следует считать упрочнение вследствие несоответствия коэффициентов термического расширения и модулей упругости компонентов и упрочнение по Холлу – Петчу вследствие модифицирующего действия частиц Al3Ti по отношению к кристаллам α-твердого раствора матричных алюминиевых сплавов.

1. Mortensen A., Llorca J. Metal matrix composites // Annual Review of Materials Research. 2010. Vol. 40. P. 243–270.

2. Dolata-Grosz A., Śleziona J., Formanek B. Structure and properties of aluminium cast composites strengthened by dispersion phases // Journal of Materials Processing Technology. 2006. Vol. 175, is. 1–3. P. 192–197.

3. Prusov E. S., Panfilov A. A. Properties of cast aluminum-based composite alloys reinforced by endogenous and exogenous phases // Russian Metallurgy (Metally). 2011. No. 7. P. 670–674.

4. Kumar D., Angra S., Singh S. Mechanical properties and wear behaviour of stir cast aluminum metal matrix composite: a review // International Journal of Engineering, Transactions A: Basics. 2022. Vol. 35, is. 4. P. 794–801.

5. Akinwamide S. O., Akinribide O. J., Olubambi P. A. Microstructural evolution, mechanical and nanoindentation studies of stir cast binary and ternary aluminium based composites // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 850. Р. 156586.

6. Prusov E., Deev V., Rakhuba E. Aluminum matrix in-situ composites reinforced with Mg2Si and Al3Ti // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 11. P. 386–391.

7. Панфилов А. В., Прусов Е. С. О получении и свойствах комплексно-армированных композиционных материалов с алюминиевой матрицей // Литейное производство. 2008. № 8. С. 1–9.

8. Himmler D., Randelzhofer P., Körner C. In-situ Al3Ti particle reinforcement for stiff aluminum die castings // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 904. Р. 163984.

9. In situ formed Al3Ti particles in Al alloy matrix and their effects on the microstructure and mechanical properties of 7075 alloy / Z. Liu, M. Rakita, X. Wang, W. Xu, Q. Han // Journal of Materials Research. 2014. Vol. 29, is. 12. P. 1354–1361.

10. Liu Z. W., Han Q., Li J. G. Formation of small blocky Al3Ti particles via direct reaction between solid Ti powders and liquid Al // Metallurgical and Materials Transactions A. 2012. Vol. 43, is. 12. P. 4460– 4463.

11. Kori S. A., Biradar S. L., Auradi V. Synthesis of Al-Al3Ti in situ metal matrix composites by salt route and evaluation of their mechanical properties // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 984–985. P. 280–284.

12. On kinetics of TiAl3 formation during reaction synthesis from solid Ti and liquid Al / M. Sujata, S. Bhargava, S. Suwas, S. Sangal // Journal of Materials Science Letters. 2001. Vol. 20, is. 24. P. 2207– 2209.

13. Microstructure and phase evolution characteristics of the in situ synthesis of TiC-reinforced AZ91D magnesium matrix composites / X. Zhou, Z. Zhang, X. Li, L. Zhou, X. Zhang, M. Chen // Materials. 2022. Vol.15, is. 4. Р. 1278.

14. Al3Ti/Al composites prepared by SHS / W. Q. Jie, E. G. Kandalova, R. J. Zhang, V. I. Nikitin // Rare Metal Materials and Engineering. 2000. Vol. 29. P. 145–148.

15. Preparation of Al-Al3Ti in situ composites by direct reaction method / H. Yu, H. Chen, L. Sun, G. Min // Rare Metals. 2006. Vol. 25, is. 1. P. 32–36.

16. Прусов Е. С., Деев В.Б ., Киреев А. В. Жидкофазный синтез металломатричных композитов гибридного состава // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2021. Т. 18, № 4. С. 511–519.

17. Strengthening mechanisms based on reinforcement distribution uniformity for particle reinforced aluminum matrix composites / G. Chen, J. Wan, N. He, H. Zhang, F. Han, Y. Zhang // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018. Vol. 28, is. 12. P. 2395–2400.

18. Wang S. H., Kao P. W., Chang C. P. The strengthening effect of Al3Ti in ultrafine grained Al-Al3Ti alloys // Scripta Mater. 1999. Vol. 40. P. 289–295.

19. Wu J. M., Zheng S. L., Li Z. Z. Thermal stability and its effects on the mechanical properties of rapidly solidified Al-Ti alloys // Materials Science and Engineering A. 2000. Vol. 289. P. 246–54.

20. Gupta R., Chaudhari G. P., Daniel B. S. S. Strengthening mechanisms in ultrasonically processed aluminium matrix composite with in-situ Al3Ti by salt addition // Composites Part B: Engineering. 2018. Vol. 140. P. 27–34.

21. Belov N. A., Eskin D. G., Aksenov A. A. Multicomponent phase diagrams: applications for commercial aluminum alloys. Amsterdam; Boston: Elsevier, 2005. 413 р.

22. Prusov E. S., Shabaldin I. V., Deev V. B. Quantitative characterization of the microstructure of in situ aluminum matrix composites // Journal of Physics: Conference Series. 2021. 2131(4). Р. 042040.

23. Формирование структуры и фазового состава литых алюмоматричных композитов при многократных переплавах / Е. С. Прусов, В. Б. Деев, А. В. Аборкин, А. А. Панфилов, А. В. Киреев // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2022. Т. 28, № 5. С. 46–54.

24. Металлургические процессы при рециклинге алюмоматричных композитов методом прямого переплава / Е. С. Прусов, В. Б. Деев, А. В. Аборкин, Д. В. Бокарёв, А. В. Киреев // Металлург. 2022. № 8. С. 99–107.

25. Liu Z., Han Q., Li J. Fabrication of in situ Al3Ti/Al composites by using ultrasound assisted direct reaction between solid Ti powders and liquid Al // Powder Technology. 2013. Vol. 247. P. 55–59.

26. Diffusion coefficients of some solutes in fcc and liquid Al: critical evaluation and correlation / Y. Du, Y. A. Chang, B. Y. Huang, W. P. Gong, Z. P. Jin, H. H. Xu, Z. H. Yuan, Y. Liu, Y. H. He, F. Y. Xie // Materials Science and Engineering A. 2003. Vol. 363. P. 140–151.

27. Schuster J. C., Palm M. Reassessment of the binary Aluminum-Titanium phase diagram // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2006. Vol. 27. P. 255–277.

28. Lloyd D. J. Particle Reinforced aluminium and magnesium matrix composites // International Materials Reviews. 1994. Vol. 39, is. 1. P. 1–23. 208 р.

29. Zhang Z., Chen D. Consideration of Orowan strengthening effect in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites: A model for predicting their yield strength // Scripta Materialia. 2006. Vol. 54, is. 7. P. 1321–1326.

30. Clyne T. W., Withers P. J. An introduction to metal matrix composites. Cambridge, Cambridge University Press, 1993. 208 р.

31. Sanaty-Zadeh A. Comparison between current models for the strength of particulate-reinforced metal matrix nanocomposites with emphasis on consideration of Hall–Petch effect // Materials Science and Engineering A. 2012. Vol. 531. P. 112–118.

32. Smallman R. E., Ngan A. H. W. Physical metallurgy and advanced materials. 7th ed. Oxford: Butterworth Einemann, 2007. 672 р.