cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2022-3-30-37cvmet-1375Research ArticleЛитейное производствоFoundryВлияние параметров обработки расплава наносекундными электромагнитными импульсами на формирование структуры литых алюмоматричных композитовInfluence of parameters used for melt processing by nanosecond electromagnetic pulses on the structure formation of cast aluminum matrix compositesДеевВ. Б.DeevV. B.

докт. техн. наук, проф., гл. науч. сотр., проф. кафедры

факультет машиностроения и автоматизации

лаборатория «Ультрамелкозернистые металлические материалы»

кафедра «Обработка металлов давлением»

430073

район Хуншань

Ухань

Россия

119991

Ленинский пр-т, 4

Москва

Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, Professor of the Department

Faculty of Mechanical Engineering and Automation

laboratory "Ultrafine-grained metal materials"

Department of "Metal processing by pressure"

430073

Textile Road, 1, Hongshan District 

Wuhan

Russia

119991

Leninsky Ave., 4

Moscow

deev.vb@mail.ruРиЭ. Х.RiE. Kh.

докт. техн. наук, проф., гл. науч. сотр., зав. кафедрой

кафедра литейного производства и технологии металлов (ЛПиТМ)

680035

ул. Тихоокеанская, 136

Хабаровск

Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, Head of the Department

Department of Foundry Production and Technology of Metals (LPiTM)

680035

136 Pacific Street

Khabarovsk

erikri999@mail.ruПрусовЕ. С.PrusovE. S.

канд. техн. наук, доцент

кафедра «Технологии функциональных и конструкционных материалов»

600000

ул. Горького, 87

Владимир

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Department of "Technologies of functional and structural materials"

600000

87 Gorky Street

Vladimir

eprusov@mail.ruЕрмаковМ. А.ErmakovM. A.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр., доцент

кафедра литейного производства и технологии металлов

Хабаровск

Candidate of Technical Sciences, senior researcher, Associate Professor

Department of Foundry production and Technology of Metals

Khabarovsk

ermakovma@yandex.ruКимЕ. Д.KimE. D.

канд. техн. наук, препод.

кафедра литейного производства и технологии металлов

Хабаровск

Candidate of Technical Sciences, teacher

Department of Foundry production and Technology of Metals

Khabarovsk

Уханьский текстильный университет; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»КитайWuhan Textile University; National University of Science and Technology «MISIS»ChinaТихоокеанский государственный университетРоссияPacific National UniversityRussian FederationВладимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. СтолетовыхРоссияVladimir State University n. a. A. G. and N. G. StoletovsRussian Federation202215062022033037Copyright © Деев В.Б., Ри Э.Х., Прусов Е.С., Ермаков М.А., Ким Е.Д., 20222022Деев В.Б., Ри Э.Х., Прусов Е.С., Ермаков М.А., Ким Е.Д.Deev V.B., Ri E.K., Prusov E.S., Ermakov M.A., Kim E.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1375

   Работа направлена на установление влияния наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ) с различной амплитудой на формирование структуры литых алюмоматричных композитов псевдобинарной системы Al–Mg2Si с доэвтектическим (5 мас. % Mg2Si) и заэвтектическим (15 мас. % Mg2Si) составами. С повышением амплитуды генератора НЭМИ в композитах с 5 и 15 мас. % Mg2Si происходит измельчение структурных составляющих матричного сплава (α-твердого раствора и эвтектики), при этом во всем диапазоне опробованных вариантов амплитуды генератора НЭМИ не наблюдали существенных различий в размерах и морфологии первичных кристаллов Mg2Si в заэвтектической области составов. Предположительно, наблюдаемый характер влияния НЭМИ на структуру композитов в заэвтектической области составов связан с особенностями их кристаллизационного поведения. Температурный диапазон существования двухфазной области L + Mg2Si значительно ниже температур облучения НЭМИ – по-видимому, в связи с этим НЭМИ не оказывает влияния на термодинамическое состояние границ «первичный кристалл Mg2Si – расплав». Показано, что перспективным вариантом одновременного модифицирующего воздействия на все структурные составляющие алюмоматричных композитов Al–Mg2Si (твердый раствор, эвтектика, первичные частицы Mg2Si) является комбинирование термоскоростной обработки и облучения расплавов НЭМИ, а также дополнительная обработка расплавов НЭМИ в процессе кристаллизации.

   The paper focuses on establishing the effect of nanosecond electromagnetic pulses (NEPs) with different amplitudes on the formation of the structure of cast aluminum matrix composites of the Al–Mg2Si pseudobinary system with hypoeutectic (5 wt. % Mg2Si) and hypereutectic (15 wt. % Mg2Si) compositions. As the NEP generator amplitude in composites containing 5 and 15 wt. % Mg2Si increases, the matrix alloy structural components (α-solid solution and eutectic) are refined, while no significant differences in the sizes and morphology of Mg2Si primary crystals were observed in the hypereutectic range of compositions. Presumably, the observed nature of the NEP effect on the structure of composites in the hypereutectic region of compositions is associated with the features of their crystallization behavior. The temperature range of the L + Mg2Si two-phase region presence is much lower than NEP irradiation temperatures. Apparently, this is the reason why NEPs have no effect on the thermodynamic state of Mg2Si primary crystal/melt interfaces. It was shown that a promising option for the simultaneous modifying effect on all structural components of Al–Mg2Si aluminum matrix composites (solid solution, eutectic, Mg2Si primary particles) is a combination of thermal-rate treatment and irradiation of melts by NEPs, as well as additional melt processing by NEPs during crystallization.

литые алюмоматричные композитысистема Al–Mg2Siнаносекундные электромагнитные импульсыамплитуда генераторакристаллизацияструктурообразованиемодифицирование структурыcast aluminum matrix compositesAl–Mg2Si systemnanosecond electromagnetic pulsesgenerator amplitudecrystallizationstructure formationstructure modificationИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-19-00687)This research was funded by the Russian Science Foundation (Project № 20-19-00687)ReferencesMortensen A., Llorca J. Metal matrix composites. Annu. Rev. Mater. Res. 2010. Vol. 40. Iss. 1. P. 243—270. DOI: 10.1146/annurev-matsci-070909-104511.Mortensen A., Llorca J. Metal matrix composites. Annu. Rev. Mater. Res. 2010. Vol. 40. Iss. 1. P. 243—270. DOI: 10.1146/annurev-matsci-070909-104511.Rohatgi P. K., Ajay Kumar P., Chelliah N. M., Rajan T. P. D. Solidification processing of cast metal matrix composites over the last 50 years and opportunities for the future. JOM. 2020. Vol. 72. No. 8. P. 2912—2926. DOI: 10.1007/s11837-020-04253-x.Rohatgi P. K., Ajay Kumar P., Chelliah N. M., Rajan T. P. D. Solidification processing of cast metal matrix composites over the last 50 years and opportunities for the future. JOM. 2020. Vol. 72. No. 8. P. 2912—2926. DOI: 10.1007/s11837-020-04253-x.Mavhungu S. T., Akinlabi E. T., Onitiri M. A., Varachia F. M. Aluminum matrix composites for industrial use: Advances and trends. Procedia Manuf. 2017. Vol. 7. P. 178—182. DOI: 10.1016/j.promfg.2016.12.045.Mavhungu S. T., Akinlabi E. T., Onitiri M. A., Varachia F. M. Aluminum matrix composites for industrial use: Advances and trends. Procedia Manuf. 2017. Vol. 7. P. 178—182. DOI: 10.1016/j.promfg.2016.12.045.Georgatis E., Lekatou A., Karantzalis A. E., Petropoulos H., Katsamakis S., Poulia A. Development of a cast Al—Mg<sub>2</sub>Si—Si in situ composite: Microstructure, heat treatment, and mechanical properties. J. Mater. Eng. Perform. 2013. Vol. 22. P. 729—741.Georgatis E., Lekatou A., Karantzalis A. E., Petropoulos H., Katsamakis S., Poulia A. Development of a cast Al—Mg<sub>2</sub>Si—Si in situ composite: Microstructure, heat treatment, and mechanical properties. J. Mater. Eng. Perform. 2013. Vol. 22. P. 729—741.Moharami A., Razaghian A., Babaei B. Role of Mg<sub>2</sub> Si particles on mechanical, wear, and corrosion behaviors of friction stir welding of AA6061-T6 and Al—Mg 2 Si composite. DOI: 10.1177/0021998320925528.Moharami A., Razaghian A., Babaei B. Role of Mg<sub>2</sub> Si particles on mechanical, wear, and corrosion behaviors of friction stir welding of AA6061-T6 and Al—Mg 2 Si composite. DOI: 10.1177/0021998320925528.Liu Z., Xie M., Liu X. M. Microstructure and properties of insitu Al—Si—Mg<sub>2</sub> Si composite prepared by melt superheating. Appl. Mech. Mater. 2011. Vol. 52. P. 750—754. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.52-54.750.Liu Z., Xie M., Liu X. M. Microstructure and properties of insitu Al—Si—Mg<sub>2</sub> Si composite prepared by melt superheating. Appl. Mech. Mater. 2011. Vol. 52. P. 750—754. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.52-54.750.Nordin N. A., Farahany S., Ourdjini A., Abu Bakar T. A., Hamzah E. Refinement of Mg<sub>2</sub> Si reinforcement in a commercial Al—20%Mg<sub>2</sub>Si insitu composite with bismuth, antimony and strontium. Mater. Charact. 2013. Vol. 86. P. 97—107.Nordin N. A., Farahany S., Ourdjini A., Abu Bakar T. A., Hamzah E. Refinement of Mg<sub>2</sub> Si reinforcement in a commercial Al—20%Mg<sub>2</sub>Si insitu composite with bismuth, antimony and strontium. Mater. Charact. 2013. Vol. 86. P. 97—107.Si Y., Kevluzov D. S. Research on the long-lasting and remelting properties of Nd modification effect on cast Al—Mg<sub>2</sub> Si metal matrix composite. Mater. Sci. Forum. 2020. Vol. 1001. P. 196—201. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.1001.196.Si Y., Kevluzov D. S. Research on the long-lasting and remelting properties of Nd modification effect on cast Al—Mg<sub>2</sub> Si metal matrix composite. Mater. Sci. Forum. 2020. Vol. 1001. P. 196—201. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.1001.196.Khorshidi R., Honarbakhsh Raouf A., Emamy M., Campbell J. The study of Li on the microstructure and tensile properties of cast Al—Mg 2 Si metal matrix composite. J. Alloys Compd. 2011. Vol. 509. P. 9026—9033.Khorshidi R., Honarbakhsh Raouf A., Emamy M., Campbell J. The study of Li on the microstructure and tensile properties of cast Al—Mg 2 Si metal matrix composite. J. Alloys Compd. 2011. Vol. 509. P. 9026—9033.Zhao Y. G., Qin Q. D., Zhou W., Liang Y. H. Microstructure of the Cemodified in situ Mg<sub>2</sub> Si/Al—Si—Cu composite. J. Alloys Compd. 2005. Vol. 389. P. L1—L4.Zhao Y. G., Qin Q. D., Zhou W., Liang Y. H. Microstructure of the Cemodified in situ Mg<sub>2</sub> Si/Al—Si—Cu composite. J. Alloys Compd. 2005. Vol. 389. P. L1—L4.Deev V. B., Prusov E. S., Kutsenko A. I. Theoretical and experimental evaluation of the effectiveness of aluminum melt treatment by physical methods. Metall. Ital. 2018. No. 2. P. 16—24.Deev V. B., Prusov E. S., Kutsenko A. I. Theoretical and experimental evaluation of the effectiveness of aluminum melt treatment by physical methods. Metall. Ital. 2018. No. 2. P. 16—24.Konovalov S. V., Danilov V. I., Zuev L. B., Filip’ev R. A., Gromov V. E. On the influence of the electrical potential on the creep rate of aluminum. Phys. Solid State. 2007. Vol. 49 (8). P. 1457—1459. DOI: 10.1134/S1063783407080094.Konovalov S. V., Danilov V. I., Zuev L. B., Filip’ev R. A., Gromov V. E. On the influence of the electrical potential on the creep rate of aluminum. Phys. Solid State. 2007. Vol. 49 (8). P. 1457—1459. DOI: 10.1134/S1063783407080094.Aryshenskii E., Hirsch J., Yashin V., Konovalov S., Kawalla R. Influence of local inhomogeneity of thermomechanical treatment conditions on microstructure evolution in aluminum alloys. J. Mater. Eng. Perform. 2018. Vol. 27 (12). P. 6780—6799. DOI: 10.1007/s11665-018-3733-8.Aryshenskii E., Hirsch J., Yashin V., Konovalov S., Kawalla R. Influence of local inhomogeneity of thermomechanical treatment conditions on microstructure evolution in aluminum alloys. J. Mater. Eng. Perform. 2018. Vol. 27 (12). P. 6780—6799. DOI: 10.1007/s11665-018-3733-8.Nordin N. A., Abubakar T., Hamzeh E., Farahany S., Ourdjini A. Effect of superheating melt treatment on Mg<sub>2</sub>Si particulate reinforcement in Al—Mg<sub>2</sub>Si—Cu in situ composite. Procedia Eng. 2017. Vol. 184. P. 595—603.Nordin N. A., Abubakar T., Hamzeh E., Farahany S., Ourdjini A. Effect of superheating melt treatment on Mg<sub>2</sub>Si particulate reinforcement in Al—Mg<sub>2</sub>Si—Cu in situ composite. Procedia Eng. 2017. Vol. 184. P. 595—603.Zhang J. T., Zhao Y. G., Xu X. F., Liu X. B. Effect of ultrasonic on morphology of primary Mg<sub>2</sub>Si in insitu Mg<sub>2</sub>Si/Al composite. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2013. Vol. 23. P. 2852—2856.Zhang J. T., Zhao Y. G., Xu X. F., Liu X. B. Effect of ultrasonic on morphology of primary Mg<sub>2</sub>Si in insitu Mg<sub>2</sub>Si/Al composite. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2013. Vol. 23. P. 2852—2856.Деев В. Б. Модифицирование литейных алюминиевых сплавов системы Al—Mg—Si обработкой жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами / В. Б. Деев [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2021. – Т. 27. – No. 4. – С. 32—41 / Deev V. B., Ri E. H., Prusov E. S., Ermakov M. A., Goncharov A. V. Grain refinement of casting aluminum alloys of the Al—Mg—Si system by processing the liquid phase using nanosecond electromagnetic pulses. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2021. Vol. 62. No. 5. P. 522—530.Деев В. Б. Модифицирование литейных алюминиевых сплавов системы Al—Mg—Si обработкой жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами / В. Б. Деев [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2021. – Т. 27. – No. 4. – С. 32—41 / Deev V. B., Ri E. H., Prusov E. S., Ermakov M. A., Goncharov A. V. Grain refinement of casting aluminum alloys of the Al—Mg—Si system by processing the liquid phase using nanosecond electromagnetic pulses. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2021. Vol. 62. No. 5. P. 522—530.Li J., An Q., Wu S., Li F., Lü S., Guo W. Relationship of Mg<sub>2</sub> Si morphology with Mg<sub>2</sub>Si content and its effect on properties of in-situ Mg<sub>2</sub>Si/Al—Cu composites. J. Alloy Compd. 2019. Vol. 808. Paper 151771.Li J., An Q., Wu S., Li F., Lü S., Guo W. Relationship of Mg<sub>2</sub> Si morphology with Mg<sub>2</sub>Si content and its effect on properties of in-situ Mg<sub>2</sub>Si/Al—Cu composites. J. Alloy Compd. 2019. Vol. 808. Paper 151771.Li C., Wu Y. Y., Li H., Liu X. F. Morphological evolution and growth mechanism of primary Mg<sub>2</sub>Si phase in Al—Mg<sub>2</sub>Si alloys. Acta Mater. 2011. Vol. 59. P. 1058—1067. DOI: 10.1016/j.actamat.2010.10.036.Li C., Wu Y. Y., Li H., Liu X. F. Morphological evolution and growth mechanism of primary Mg<sub>2</sub>Si phase in Al—Mg<sub>2</sub>Si alloys. Acta Mater. 2011. Vol. 59. P. 1058—1067. DOI: 10.1016/j.actamat.2010.10.036.Li C., Wang C., Ju H., Xue X., Zha M., Wang H. Prediction of modified morphology for primary Mg<sub>2</sub> Si induced by trace-element adsorption: A first-principles study. Materialia. 2020. Vol. 14. Paper 100875. DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100875.Li C., Wang C., Ju H., Xue X., Zha M., Wang H. Prediction of modified morphology for primary Mg<sub>2</sub> Si induced by trace-element adsorption: A first-principles study. Materialia. 2020. Vol. 14. Paper 100875. DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100875.Bhandari R., Mallik M., Mondal M. K. Microstructure evolution and mechanical properties of in situ hypereutectic Al—Mg<sub>2</sub>Si composites. AIP Conf. Proc. 2019. Vol. 2162. Paper 020145. DOI: 10.1063/1.5130355.Bhandari R., Mallik M., Mondal M. K. Microstructure evolution and mechanical properties of in situ hypereutectic Al—Mg<sub>2</sub>Si composites. AIP Conf. Proc. 2019. Vol. 2162. Paper 020145. DOI: 10.1063/1.5130355.Deev V., Ri E., Prusov E. Effect of aluminum melt treatment by nanosecond electromagnetic pulses on structure and properties of castings. In: Proc. 73-rd World foundry congress «Creative Foundry» (WFC 2018) (Polish Foundrymen’s Association). 2018. P. 155—156.Deev V., Ri E., Prusov E. Effect of aluminum melt treatment by nanosecond electromagnetic pulses on structure and properties of castings. In: Proc. 73-rd World foundry congress «Creative Foundry» (WFC 2018) (Polish Foundrymen’s Association). 2018. P. 155—156.Krymsky V., Shaburova N. Applying of pulsed electromagnetic processing of melts in laboratory and industrial conditions. Materials. 2018. Vol. 11. No. 6. Paper 954.Krymsky V., Shaburova N. Applying of pulsed electromagnetic processing of melts in laboratory and industrial conditions. Materials. 2018. Vol. 11. No. 6. Paper 954.Ri E. K., Hosen R., Ermakov M. A., Knyazev G. A., Dzhou B. L.,Ri V. E. Solidification of low-silicon iron under the action of nanosecond electromagnetic pulses. Steel Trans. 2013. Vol. 43. No. 8. P. 471—473.Ri E. K., Hosen R., Ermakov M. A., Knyazev G. A., Dzhou B. L.,Ri V. E. Solidification of low-silicon iron under the action of nanosecond electromagnetic pulses. Steel Trans. 2013. Vol. 43. No. 8. P. 471—473.Krymsky V. V., Shaburova N. A., Litvinova E. V. Microstructure and properties of cast metal treated with electromagnetic pulses while in molten state. Mater. Sci. Forum. 2016. Vol. 843. P. 106—110.Krymsky V. V., Shaburova N. A., Litvinova E. V. Microstructure and properties of cast metal treated with electromagnetic pulses while in molten state. Mater. Sci. Forum. 2016. Vol. 843. P. 106—110.Deev V., Prusov E., Rakhuba E. Physical methods of melt processing at production of aluminum alloys and composites: Opportunities and prospects of application. Mater. Sci. Forum. 2019. Vol. 946. P. 655—660. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.946.655.Deev V., Prusov E., Rakhuba E. Physical methods of melt processing at production of aluminum alloys and composites: Opportunities and prospects of application. Mater. Sci. Forum. 2019. Vol. 946. P. 655—660. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.946.655.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.