Получение композиционного материала на основе алюминия с армирующими частицами из металлических стекол методом сварки прокаткой

Композиционные материалы (КМ) обеспечивают высокую твердость, прочность и износостойкость при несколько ограниченной технологичности. В качестве армирующего компонента в дискретно-упрочненных КМ наиболее часто используют частицы карбидов, нитридов или оксидов. Аморфные металлические материалы могут служить альтернативным армирующим компонентом, так как упрочнение данными частицами может обеспечить улучшенные свойства из-за большей силы межфазной связи между частицами и матрицей, чем у традиционных упрочнителей. В представленной работе успешно получен лист металломатричного композиционного материала на основе сплава Al—5%Zn—5%Ca, армированного частицами аморфных металлических стекол состава Co₄₈Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Tm₂ и плакированного сплавом АА5083. Толщина центрального слоя сплава Al—5%Zn—5%Ca, упрочненного частицами металлических стекол, занимала 60 % толщины листа, а плакировка суммарно — 40 %. Гранулы КМ получали путем механического легирования с последующей их консолидацией методом сварки прокаткой в оболочке плакировки при температуре, не превышающей температуру расстеклования аморфного компонента. Методами рентгенофазового и дифференциального термического анализа показано, что после обработки в планетарной мельнице и последующей консолидации в процессе горячей прокатки металлические стекла сохраняют аморфную структуру. С помощью сканирующей электронной микроскопии проведен анализ микроструктуры на разных стадиях получения КМ. Оценены механические свойства при испытаниях на одноосное растяжение материала при комнатной температуре. В прокатанном состоянии объемная доля аморфных частиц составила около 10 %, а их размер варьировался от 2 до 187 мкм. Твердость полученного КМ оказалась на 25 % больше, чем у сплава матрицы Al—5%Zn—5%Ca. При этом предел текучести плакированного композиционного материала в 2 раза выше этого показателя у образцов сплавов матрицы и плакировки.

1. Kainer K.U. Metal matrix composites. Custom-made materials for automotive and aerospace engineering. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, 2006.

2. Embury J.D., Lloyd D.J., Ramachandran T.R. Strengthening mechanisms in aluminum alloys. In: Aluminum alloys — contemporary research and applications. Academic Press, Inc., 1989. Vol. 31, Ch. 22. P. 579—601.

3. Alves F.L., Baptista A., Marques A. Metal and ceramic matrix composites in aerospace engineering. In: Advanced composite materials for aerospace engineering. Processing, properties and applications. Adv. Composit. Mater. Aerospace Eng. Woodhead Publ., 2016. Ch. 3. P. 59—99.

4. Garg P., Jamwal A., Kumar D., Sadasivuni K.K., Hussain C.M., Gupta P. Advance research progresses in aluminium matrix composites: Manufacturing & applications. J. Mater. Res. Technol. 2019. Vol. 8. No. 5. P. 4924—4939. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.06.028.

5. Miracle D.B. Metal matrix composites — From science to technological significance. Composit. Sci. Technol. 2005. Vol. 65. No. 15-16. P. 2526—2540. DOI: 10.1016/j.comp-scitech.2005.05.027.

6. Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А., Мыльников В.В. Разработка технологии получения алюмо-матричного литого композиционного материала с помощью синтеза упрочняющей фазы оксида алюминия в расплаве алюминия. Известия. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 4. С. 29—36.

7. Sharifi H., Borujeni H.R., Nasresfahani M.R. The influence of volume fraction of SiC particles on the properties of Al/SiCp nanocomposites produced by powder metallurgy with high energy ball milling. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2016. Vol. 57. P. 728—733. DOI: 10.3103/S1067821216070130.

8. Guler K.A., Kisasoz A., Karaaslan A. The fabrication and characterization of Al/SiC-MMC castings produced by vacuum assisted solid mould investment casting process. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2013. Vol. 54. No. 4. P. 320—324. DOI: 10.3103/S1067821213040068.

9. Rana R.S., Purohit R., Das S. Review of recent studies in Al matrix composites. Int. J. Sci. Eng. Res. 2012. Vol. 3. No. 6. P. 1—7.

10. Dudina D.V., Georgarakis K., Li Y., Aljerf M., LeMoulec A., Yavari A.R., Inoue A. A magnesium alloy matrix composite reinforced with metallic glass. Composit. Sci. Technol. 2009. Vol. 69. No. 15-16. P. 2734—2736. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.08.001.

11. Deuis R.L., Subramanian C., Yellup J.M. Dry sliding wear of aluminium composites — A review. Composit. Sci. Technol. 1997. Vol. 57. P. 415—435. DOI: 10.1016/S0266-3538(96)00167-4.

12. Zheng R., Yang H., Liu T., Ameyama K., Ma C. Microstructure and mechanical properties of aluminum alloy matrix composites reinforced with Fe-based metallic glass particles. Mater. Design. 2014. Vol. 53. P. 512—518. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.07.048.

13. Scudino S., Surreddi K. B., Sager S., Sakaliyska M., Kim J.S., Loser W., Eckert J. Production and mechanical properties of metallic glass-reinforced Al-based metal matrix composites. J. Mater. Sci. 2008. Vol. 43. No. 13. P. 4518—4526. DOI: 10.1007/s10853-008-2647-5.

14. Lee M.H., Kim J.H., Park J.S., Kim J.C., Kim W.T., Kim D.H. Fabrication of Ni—Nb—Ta metallic glass reinforced Al-based alloy matrix composites by infiltration casting process. Scripta Mater. 2004. Vol. 50. No. 11. P. 1367— 1371. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.02.038.

15. Louzguine-Luzgin D.V., Bazlov A.I., Ketov S.V., Inoue A. Crystallization behavior of Fe- and Co-based bulk metallic glasses and their glass-forming ability. Mater. Chem. Phys. 2015. Vol. 162. P. 197—206. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2015.05.058.

16. Ramirez. P, Alday F.G., Adabbo H.E., Ruano O.A. Super-plastic behaviour of Al—5 wt.%Ca—5 wt%Zn alloy. Mater. Sci. Eng. 1987. Vol. 93. P. L11—L15. DOI: https://doi.org/10.1016/0025-5416(87)90433-2.

17. ASTM E 92 Standard test method for vickers hardness of metallic materials, American society for testing and materials 100 Barr Harbor Dr., West Conshohocken. PA 19428. Reprinted from the Annual Book of ASTM Standards. Copyright AST.1997.

18. Meduri C., Hasan M., Adam S., Kumar G. Effect of temperature on shear bands and bending plasticity of metallic glasses. J. Alloys Compd. 2018. Vol. 732. P. 922—927. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.10.276.

19. Churyumov A.Yu., Bazlov A.I., Tsarkov A.A., Solonin A.N., Louzguine-Luzgin D.V. Microstructure, mechanical properties, and crystallization behavior of Zr-based bulk metallic glasses prepared under a low vacuum. J. Alloys Compd. 2016. Vol. 654. P. 87—94. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.09.003.

20. Faupel F., Frank W., Macht M.-P., Mehrer H., Naundorf V., Riitzke K, Schober H.R., Sharma S.K., Teichler H. Diffusion in metallic glasses and supercooled melts. Rev. Mod. Phys. 2003. Vol. 75. P. 237—280. DOI: 10.1103/RevModPhys.75.237.

21. Ehmler H., Heesemann A., Ratzke K, Faupel F., Geyer U. Mass dependence of diffusion in a supercooled metallic melt. Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80. P. 4919—4922. DOI: 10.1103/PhysRevLett.80.4919.

22. Лузгин Д.В., Полькин В.И. Свойства объемных металлических стекол. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016. No. 6. С. 71—85.

23. Nakajima H., Honma Y., Nonaka K., Shiozawa K., Nishiyama N., Inoue A., Masumoto T. Diffusion of iron in Mg60Ni25Nd15 amorphous alloys with a wide supercooled liquid region. Mater. Sci. Eng. A. 1994. Vol. 179-180. P. 334—336. DOI: 10.1016/0921-5093(94)90221-6.

24. Rofman O.V., Prosviryakov A.S., Mikhaylovskaya A.V., Kotov A.D., Bazlov A.I., Cheverikin V.V. Processing and microstructural characterization of metallic powders produced from chips of AA2024 alloy. JOM. 2019. Vol. 71 (9). P. 2986—2995. DOI: 10.1007/s11837-019-03581-x.

25. Wan B., Chen W., Lu T., Liu F., Jiang Z., Mao M. Review of solid state recycling of aluminum chips. Res. Conserv. Recycl. 2017. Vol. 125. P. 37—47. DOI: 10.1016/j.resconrec.2017.06.004.

26. Soni P.R. Mechanical alloying: Fundamentals and applications. Cambridge: Cambridge Inter. Sci. Publ., 1999.

27. Wang Z., Ketov S.V., Sun B., Chen C., Churyumov A.Y., Louzguine-Luzgin D.V. Eutectic crystallization during fracture of Zr—Cu—Co—Al metallic glass. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 657. P. 210—214. DOI: 10.1016/j.msea.2016.01.096.