Термодинамика влияния легирования на фазообразование при кристаллизации алюмоматричных композитов с экзогенным армированием

Проведена термодинамическая оценка влияния легирующих элементов (Si, Mg, Cu, Ti) на процессы фазообразования при получении и жидкофазной переработке литых алюмоматричных композиционных материалов с экзогенным армированием (Al–SiC, Al–B₄C). Показано, что без подавления формирования карбидов Al–Si–C и Al₄C₃ в диапазоне концентраций углерода от 0 до 4,5 мас.% равновесный фазовый состав композитов системы Al–SiC в твердом состоянии при температурах от 423 до 575 °C лежит в 3-фазной области (Al) + Si + Al₄SiC₄, а ниже 423 °C тройной карбид Al₄SiC₄ заменяется соединением Al₈SiC₇. В системах Al–SiC–Cu и Al–B₄C–Cu фазы SiC и B₄C стабильны во всем интервале кристаллизации и не взаимодействуют с алюминием или медью. В системе Al–SiC–Mg кристаллизация композитов, содержащих более 0,58 масс.% магния, заканчивается в 4-фазной области (Al) + Al₃Mg₂ + SiC + Mg₂Si. В системе Al–SiC–Ti завершение кристаллизации фиксируется в 3-фазной области (Al) + Al₃Ti + SiC. В системе Al–B₄C после подавления формирования фазы Al₄C₃ при отклонении от концентраций элементов, обеспечивающих 10 об.% B₄C, в сторону увеличения бора образуются бориды алюминия, а в сторону его снижения – свободный углерод. В равновесных условиях при концентрации кремния до 0,67 мас.% кристаллизация системы Al–B₄C–Si заканчивается в 4-фазной области (Al) + B₄C + AlB₁₂ + Al₈SiC₇, а при более высоком содержании кремния – в области (Al) + Si + AlB₁₂ + Al₈SiC₇. В системе Al–B₄C–Ti при содержании титана менее 0,42 мас.% кристаллизация завершается в 3-фазной области (Al) + TiB₂ + B₄C.

1. Mortensen A., Llorca J. Metal matrix composites. Annu. Rev. Mater. Res. 2010. Vol. 40. P. 243—270. DOI: 10.1146/annurev-matsci-070909-104511.

2. 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.

3. Pramanik S., Cherusseri J., Baban N.S., Sowntharya L., Kar K.K. Metal matrix composites: Theory, techniques, and applications. In: Composite Materials (Ed. Kar K.). Berlin, Heidelberg: Springer, 2017. Р. 369—411. DOI: 10.1007/978-3-662-49514-8_11.

4. Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. Роль порошковых прекурсоров при получении композиционных сплавов жидкофазными методами. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016. No. 2. С. 47—58. Prusov E.S., Panfilov A.A., Kechin V.A. Role of powder precursors in production of composite alloys using liquidphase methods. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2017. Vol. 58. No 3. P. 308—316. DOI: 10.3103/S1067821217030154.

5. Kala H., Mer K.K.S., Kumar S. A review on mechanical and tribological behaviors of stir cast aluminum matrix composites. Proc. Mater. Sci. 2014. Vol. 6. P. 1951—1960. DOI: 10.1016/j.mspro.2014.07.229.

6. Samal P., Vundavilli P.R., Meher A., Mahapatra M.M. Recent progress in aluminum metal matrix composites: A review on processing, mechanical and wear properties. J. Manuf. Process. 2020. Vol. 59. P. 131—152. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.09.010.

7. Prusov E.S., Panfilov A.A. Properties of cast aluminumbased composite alloys reinforced by endogenous and exogenous phases. Russ. Metall. (Met.). 2011. No. 7. P. 670—674. DOI: 10.1134/S0036029511070123.

8. Панфилов А.А., Прусов Е.С., Кечин В.А. Металлургия алюмоматричных композиционных сплавов: Монография. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2017. Panfilov A.A., Prusov E.S., Kechin V.A. Metallurgy of aluminum matrix composite alloys: monograph. Vladimir: Vladimirskii gosudarstvennii universitet im. A.G. imeni N.G. Stoletovych, 2017 (In Russ.).

9. Delannay F., Froyen L., Deruyttere A. The wetting of solids by molten metals and its relation to the preparation of metal-matrix composites. J. Mater. Sci. 1987. Vol. 22. P. 1—16.

10. Malaki M., Fadaei Tehrani A., Niroumand B., Gupta M. Wettability in metal matrix composites. Metals. 2021. Vol. 11. Iss. 7. Art. 1034. DOI: 10.3390/met11071034.

11. Eustathopoulos N., Voytovych R. The role of reactivity in wetting by liquid metals: A review. J. Mater. Sci. 2016. Vol. 51. P. 425—437. DOI: 10.1007/s10853-015-9331-3.

12. Hashim J., Looney L., Hashmi M.S.J. The wettability of SiC particles by molten aluminium alloy. J. Mater. Process. Technol. 2001. Vol. 119. P. 324—328. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)00975-X.

13. Egry I., Ricci E., Novakovic R., Ozawa S. Surface tension of liquid metals and alloys — Recent developments. Adv. Colloid Interface Sci. 2010. Vol. 159. P. 198—212.

14. Carotenuto G., Gallo A., Nicolais L. Degradation of SiC particles in aluminium-based composites. J. Mater. Sci. 1994. Vol. 29. P. 4967—4974.

15. Chernyshova T.A., Rebrov A.V. Interaction kinetics of boron carbide and silicon carbide with liquid aluminium J. Less-Comm. Met. 1986. Vol. 117. Iss. 1-2. P. 203—207.

16. Pech-Canul M.I., Katz R.N., Makhlouf M.M. Optimum parameters for wetting silicon carbide by aluminum alloys. Metal. Mater. Trans. A: Phys. Metal. Mater. Sci. 2000. Vol. 31. Iss. 2. P. 565—573.

17. Prusov E.S., Deev V.B., Shurkin P.K., Arakelian S.M. The effect of alloying elements on the interaction of boron carbide with aluminum melt. Non-Ferr. Metals. 2021. Vol. 50. No. 1. P. 27—33. DOI: 10.17580/nfm.2021.01.04.

18. Shi R., Luo A.A. Applications of CALPHAD modeling and databases in advanced lightweight metallic materials. Calphad. 2018. Vol. 62. P. 1—17. DOI: 10.1016/j.calphad. 2018.04.009.

19. Jung J.-G., Cho Y.-H., Lee J.-M., Kim H.-W., Euh K. Designing the composition and processing route of aluminum alloys using CALPHAD: Case studies. Calphad. 2019. Vol. 64. P. 236—247. DOI: 10.1016/j.calphad.2018.12.010.

20. Belov N.A., Naumova E.A., Akopyan T.K., Doroshenko V.V. Phase diagram of the Al—Ca—Fe—Si system and its application for the design of aluminum matrix composites. JOM. 2018. Vol. 70. P. 2710—2715. DOI: 10.1007/s11837-018-2948-3.

21. Prusov E., Deev V., Shunqi M. Thermodynamic assessment of the Al—Mg—Si—Ti phase diagram for metal matrix composites design. Mater. Today: Proc. 2019. Vol. 19. Pt. 5. P. 2005—2008. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.07.061.

22. Viala J.C., Fortier P., Bouix J. Stable and metastable phase equilibria in the chemical interaction between aluminium and silicon carbide. J. Mater. Sci. 1990. Vol. 25. Iss. 3. P. 1842—1850. DOI: 10.1007/BF01045395.

23. Schuster J.C., Palm M. Reassessment of the binary aluminum-titanium phase diagram. J. Phase Equilib. Diffus. 2006. Vol. 27. P. 255—277. DOI: 10.1361/154770306X109809.

24. Toptan F., Kilicarslan A., Kerti I. The effect of ti addition on the properties of Al—B4C interface: A microstructural study. Mater. Sci. Forum. 2010. Vol. 636—637. P. 192—197. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.636-637.192.

25. Zhang Z., Fortin K., Charette A., Chen X.-G. Effect of titanium on microstructure and fluidity of Al—B4C composites. J. Mater. Sci. 2011. Vol. 46. P. 3176—3185. DOI: 10.1007/s10853-010-5201-1.