Исследование влияния частиц TiB2 на структуру, деформационное поведение и свойства алюминиевого сплава 1550 | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2020. № 67. DOI: 10.17223/19988621/67/10

Исследование влияния частиц TiB2 на структуру, деформационное поведение и свойства алюминиевого сплава 1550

В работе исследовано влияние частиц TiB2 на структуру и механические свойства алюминиевого сплава 1550 до и после деформационной обработки. Методом СВС синтезированы лигатуры, содержащие частицы TiB2. Для введения лигатур в расплав и улучшения распределения частиц проводилась ультразвуковая обработка расплава. Установлено влияние частиц TiB2 на измельчение зерна сплава 1550 и изменение твёрдости и механических свойств при растяжении. Установлено, что введение частиц TiB2 в сплав 1550 способствует увеличению показателей прочности и пластичности как литых, так и прокатанных сплавов по сравнению с исходным сплавом.

Study of the effect of TiB2 particles on the structure, deformation behavior, and properties of the aluminum alloy 1550.pdf 1. Введение В настоящее время сплавы системы Al-Mg широко используются в авиационной технике, морском транспорте, изготовлении трубопроводов за счёт высокой коррозионной стойкости и хорошей свариваемости традиционными методами [1, 2]. Отечественный деформируемый сплав марки 1550 относится к сплавам системы Al-Mg и используется в виде листового проката. Наибольшие показатели свойств этого сплава достигаются за счёт дисперсионного твердения при введении таких элементов, как цирконий или скандий [3-5]. Основным недостатком данного метода упрочнения является высокая стоимость, которая приводит к значительному удорожанию изделий. Дополнительная деформационная обработка при производстве проката влияет на формирование особой внутренней структуры сплава, напрямую воздействуя на изменение механических свойств. Также для увеличения физикомеханических свойств алюминиевых сплавов, кроме дисперсионного твердения и деформационной обработки, известны такие методы, как модифицирование структуры путем измельчения зерна при кристаллизации расплава и упрочнение металлической матрицы введением неметаллических частиц, волокон [6-9]. Часто при модифицировании структуры в алюминиевый сплав вводится химический иннокулятор. За счёт близких параметров кристаллического строения, ин-нокуляторы способны выступать в качестве центров переохлаждения в расплаве при его кристаллизации [10]. Наиболее широко используемым модификатором для сплавов алюминия является диборид титана (TiB2). Модификатор TiB2 вводится «ex-situ» при помощи лигатуры Al-5Ti-1B [10-12] (содержит частицы Al3Ti и TiB2 в алюминиевой матрице), либо синтезируется «in-situ» при помощи солей 1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-3890020. Исследование влияния частиц T1B2 на структуру, деформационное поведение и свойства 103 K2TiF6 и KBF4 [13]. Как показали последние исследования, частицы TiB2 титана не являются достаточно активными центрами кристаллизации для измельчения зерна, но их активность зародышеобразования значительно повышается при синтезе на поверхности TiB2 двумерного соединения Al3Ti [10]. В работе [13] показано, что оптимальный размер частиц для их использования в качестве иннокулято-ров в алюминиевых сплавах составляет от 1 до 5 мкм. Дополнительным механизмом выступает дисперсное упрочнение [14], для которого необходимо использование частиц размером до 500 нм [15-17]. При этом неметаллические наночастицы должны быть равномерно распределены в объёме алюминиевой матрицы и иметь с ней хорошую связь, которая сохранится во время движения дислокаций. Эффективным препятствием для движения дислокаций в алюминии может выступать TiB2 благодаря его высокой твёрдости [18]. Перспективным является одновременное использование частиц TiB2 как для модифицирования, так и для дисперсного упрочнения структуры алюминиевых сплавов. Для этого должны быть использованы лигатуры заданного состава, содержащие частицы TiB2 в достаточном количестве нано- и микроразмерного диапазона. Так, например, в работе [19] было показано, что отдельное введение смеси модифицирующих микрочастиц TiB2 и наночастиц оксида алюминия позволяет модифицировать структуру и упрочнять алюминиевую матрицу, увеличивая прочность и электропроводность. Основными целями данной работы стало изготовление лигатур, пригодных для введения в расплав алюминиевого сплава 1550 при одновременном воздействии ультразвука с последующей кристаллизацией в кокиле с проведением деформационной обработки полученных сплавов до состояния листового проката в цилиндрических валках при повышенных температурах. 2. Материалы и методика На первом этапе были синтезированы лигатуры Al-TiB2 из смеси на основе алюминиевого порошка субмикронных размеров и порошка TiB2 с бимодальным распределением размеров частиц. При изготовлении лигатур необходимым условием выступало использование порошка с бимодальными структурами. Для получения бимодального распределения частиц TiB2 в лигатуре использован метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [20]. Управляя основными факторами синтеза, такими, как скорость и температура исходной порошковой системы Al-Ti-B, можно регулировать размер частиц TiB2, формирующихся в процессе горения, и фазовый состав получаемых лигатур. Использование экзотермической реакции стехиометрического соотношения титана и бора при изготовлении лигатур делает указанный метод энергоэффективным, так как не требует подвода дополнительной энергии для инициирования и поддержания процесса горения. Морфология, дисперсность, химический состав порошковых материалов, оборудование для получения, методика проведения СВС-эксперимен-та подробно описана в [19, 21]. В работе после проведения трех экспериментов по синтезу были получены три смеси с бимодальным распределением частиц по размерам: смесь 1 - 0.1 мкм -1.9 об. %, 0.9 мкм - 7.5 %; смесь 2 - 0.1 мкм - 1.1 об. %, 2 мкм - 7 %; смесь 3 - 0.1 мкм - 1.9 об. %, 1 мкм - 8.2 %. Полученные лигатуры вводили в расплав алюминиевого сплава с одновременным ультразвуковым (УЗ) воздействием. В качестве исходного сплава использован алюминиевый сплав марки 1550 (91.9-94.68 % Al, 4.8-5.8 % Mg, 0.6 % Mn). УЗ-обработка необходима для дегазации расплава [22] и улучшения смачиваемо- 104 А.Б. Ворожцов, В.В. Платов, А.А. Козулин, А.П. Хрусталев, И.П. Мишин, И.А. Жуков сти поверхности частиц TiB2 [23]. 1 кг сплава 1550 помещали в графитовый тигель, расплавляли в муфельной печи (780 °С) и выдерживали в течение двух часов. В расплав помещался ультразвуковой волновод и осуществлялось введение лигатуры с одновременной УЗ-обработкой при температуре расплава 730 °С. УЗ-обработка осуществлялась с использованием магнитострикционного водоохлаждаемого преобразователя (мощность 4.1 кВ и частота 17.6 кГц). После полного растворения лигатуры УЗ-обработка осуществлялась в течение 2 минут. Полученный расплав выдерживали в печи в течение 30 минут. Литьё расплава в стальной кокиль осуществлялось при температуре 720 °С. Исходный сплав 1550 был получен с аналогичными параметрами литья без введения лигатуры. Данные о полученных сплавах приведены в табл. 1. Данные о полученных сплавах Т аблица 1 Номер Основа, Средний размер, мкм/содержание, об. % частиц TiB2 Количество частиц Количество частиц TiB2 группы сплав TiB2 в лигатуре, % в 1 кг сплава, шт. 1 1550 0.1/17, 0.9/83 30 4-1020 ± 6-1010 2 1550 0.1/14, 2/86 30 4-1020 ± 6-1010 3 1550 0.1/18, 1/82 43 4.5-1020 ± 7.3-1010 4 1550 - - - Из полученных отливок сплавов групп 1, 2, 3, 4 (табл. 1) вырезали призматические заготовки - слябы, размерами 11x17x40 мм. Для проведения прокатки использовался лабораторный двухвалковый прокатный стан с диаметром валков 80 мм и скоростью вращения 24 об/мин. Прокатка исследуемых алюминиевых сплавов проводилась в состоянии предварительного нагрева заготовок, которые помещались в муфельную печь, разогретую до 300 °С, на 30 мин. Обработку прокаткой проводили до толщины слябов с 11 до 2 мм за несколько циклов с промежуточным прогревом в течение 15 мин при температуре 300 °С. Суммарная деформация сляба составляла 80 %. Каждый цикл разбивался на 7 реверсивных проходов. За один проход прокатки реализовывалось обжатие до 4 %. Количество проходов за цикл выбиралось экспериментальным путем исходя из значений температуры слябов при остывании. Прокатка при низких температурах ведет к появлению дефектов в объеме сляба и росту магистральной трещины при последующих циклах обработки независимо от температурных и деформационных режимов. Металлографический анализ литых сплавов проводили с помощью оптического микроскопа Olympus GX71. Структуру литых материалов изучали после механической шлифовки, полировки и травления образцов раствором Келлера (0.5 HF - 1.8 HCl2 - 2.7 HNO3 - 95 H2O). Средний размер зерен определяли методом секущих по стандарту ASTM 112-13 по результатам не менее 300 измерений для каждого состояния и выделение границ на оптических изображениях проводили с использованием программного обеспечения Olympus Stream. Дополнительные исследования микроструктуры и текстуры прокатанных сплавов проводили методами дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) на электронном микроскопе Tescan Vega II LMU, снабженном дополнительным устройством дифракции обратного рассеяния электронов. Поверхность исследуемых образцов была подготовлена методом предварительной механической полировки с последующим ионным травлением на аппарате SEMPrep2. Полученные данные анализировались с Исследование влияния частиц T1B2 на структуру, деформационное поведение и свойства 105 использованием лицензионного программного обеспечения HKL-Channel 5. Фактографические исследования изломов после испытаний на одноосное растяжение образцов сплавов в состояниях после отливки и после прокатки проводили на растровом электронном микроскопе Philips SEM 500 при одинаковых увеличениях. Измерения твердости по Бринеллю (HB) проведены в соответствии со стандартом ASTM E103 [24] в разных частях широкой стороны призматической отливки. Для эксперимента использовался автоматический твердомер Duramin 500. Внедрение сферического индентора радиусом 5 мм проводили с усилием 250 кг и выдержкой 30 с. В экспериментах по одноосному растяжению использовался универсальный электромеханический испытательный стенд Instron 3369 со скоростью нагружения 0.2 мм/мин. Образцы вырезались из отливок и прокатанных пластин при помощи электроэрозионной резки и представляли собой плоские лопатки, длиной и шириной рабочей части 25 и 6 мм, толщиной 2 мм, радиусом скругления 14 мм. Испытания проводились согласно стандарту ASTM E8M:2008 [25]. 3. Результаты исследования микроструктуры сплавов Эффект измельчения зерна сплавов 1550 с добавленными бимодальными субмикронными и микронными частицами TiB2 отражен на поляризованных оптических микрофотографиях на рис. 1, a-d. a c

Ключевые слова

предел текучести, прочность, твёрдость, упрочнение, структура, диборид титана, наноразмерные частицы, легкие сплавы

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Жуков Илья АлександровичТомский государственный университеткандидат технических наук старший научный сотрудник лаборатории высокоэнергетических и специальных материаловgofra930@gmail.com
Мишин Иван ПетровичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНкандидат физико-математических наук, инженер Томского материаловедческого центра коллективного пользования, научный сотрудникmip@ispms.tsc.ru
Хрусталев Антон ПавловичТомский государственный университеткандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургииtofik0014@gmail.com
Козулин Александр АнатольевичТомский государственный университеткандидат физико-математических наук, доцент кафедры механики деформируемого твердого телаkozulyn@ftf.tsu.ru
Платов Владимир ВладимировичТомский государственный университетмладший научный сотрудник лаборатории высокоэнергетических и специальных материаловvova.platov.85@mail.ru
Ворожцов Александр БорисовичТомский государственный университетдоктор физико-математических наук, заведующий лабораторией высокоэнергетических и специальных материаловabv1953@mail.ru
Всего: 6

Ссылки

Фрактография и атлас фрактограмм: справ. изд.: пер. с англ. / под ред. Дж. Феллоуза. М.: Металлургия, 1982. 489 c.
Zhukov I.A., Ziatdinov M.Kh., Vorozhtsov A.B., Zhukov A.S., Vorozhtsov S.A., Promakhov V.V. Self-propagating high-temperature synthesis of Al and Ti borides // Russian Physics Journal. 2016. V. 59. No. 8. P. 1324-1326. DOI: 10.1007/s11182-016-0911-8.
Zhukov I.A., Promakhov V.V., Matveev A.E., Platov V.V., Khrustalev A.P., Dubkova Ya.A., Vorozhtsov S.A., Potekaev A.I. Principles of Structure and Phase Composition Formation in Composite Master Alloys of the Al-Ti-B4C Systems Used for Aluminum Alloy Modification // Russian Physics Journal. 2018. V. 60. No. 11. P. 2025-2031. DOI: 10.1007/s11182-018-1319-4.
ASTM E10:2017. Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials.
ASTM E8M:2008. Standard test method for tension testing of metallic materials.
Kang J., Wilkinson D.S., Jain M., Embury J.D., Beaudoin A.J., Kim S., Mishira R., Sachdev A.K. On the sequence of inhomogeneous deformation processes occurring during tensile deformation of strip cast AA5754 // Acta Materialia. 2006. V. 54. P. 209-218. DOI: 10.1016/j.actamat.2005.08.045.
Mcqueen H.J., Evangelista E., Bowles J., Crawford G. Hot deformation and dynamic recrystallization of Al-5Mg-0.8Mn alloy // Metal Science. 1984. V. 18(8). P. 395-402. DOI: 10.1179/030634584790419854.
Eskin D.G., Al-Helal K., Tzanakis I. Application of a plate sonotrode to ultrasonic degassing of aluminum melt: acoustic measurements and feasibility study // Journal of Materials Processing Technology. 2015. V. 222. P. 148-154. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.03.006.
Xuan Y., Nastac L. The role of ultrasonic cavitation in refining the microstructure of aluminum based nanocomposites during the solidification process // Ultrasonics. 2018. V. 83. P. 94-102. DOI: 10.1016/j.ultras.2017.06.023.
Gao Q., Wu S., Lu S., Xiong X., Du R., An P. Improvement of particles distribution of in-situ 5 vol% TiB2 particulates reinforced Al-4.5 Cu alloy matrix composites with ultrasonic vibration treatment // Journal of Alloys and Compounds. 2017. V. 692. P. 1-9. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.09.013.
Zhukov I.A., Kozulin A.A., Khrustalyov A.P., Matveev A.E., Platov V.V., Vorozhtsov A.B., Zhukova T.V., Promakhov V.V. The Impact of Particle Reinforcement with Al2O3, TiB2, and TiC and Severe Plastic Deformation Treatment on the Combination of Strength and Electrical Conductivity of Pure Aluminum // Metals. 2019. V. 9. No. 1. P. 65-1-65-10. DOI: 10.3390/met9010065.
Greer A.L., Bunn A.M., Tronche A., Evans P.V., Bristow D.J. Modelling of inoculation of metallic melts: application to grain refinement of aluminium by Al-Ti-B // Acta Materialia. 2000. V. 48. No. 11. P. 2823-2835. DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00094-X.
Liu H., Gao Y., Qi L., Wang Y., Nie Jian-Feng. Phase-field simulation of Orowan strengthening by coherent precipitate plates in an aluminum alloy // Metallurgical and Materials Transactions A. 2015. V. 46. No. 7. P. 3287-3301. DOI: 10.1007/s11661-015-2895-3.
Ezatpour H.R., Parizi M.T., Sajjadi S.A., Ebrahimi G.R., Chaichi A. Microstructure, mechanical analysis and optimal selection of 7075 aluminum alloy based composite reinforced with alumina nanoparticles // Materials Chemistry and Physics. 2016. V. 178. P. 119-127. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2016.04.078.
Vorozhtsov S.A., Eskin D.G., Tamayo J., Vorozhtsov A.B., Promakhov V.V., Averin A.A., Khrustalyov A.P. The application of external fields to the manufacturing of novel dense composite master alloys and aluminum-based nanocomposites // Metallurgical and Materials Transactions A. 2015. V. 46. No. 7. P. 2870-2875. DOI: 10.1007/s11661-015-2850-3.
Mousavian R.T., Khosroshahi R.A., Yazdani S., Brabazon D., Boostani A.F. Fabrication of aluminum matrix composites reinforced with nano-to micrometer-sized SiC particles // Materials & Design. 2016. V. 89. P. 58-70. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.09.130.
Fan Z., Wang Y., Zhang Y., Qin T., Zhou X.R., Thompson G.E., Pennycook T., Hashimoto T. Grain refining mechanism in the Al/Al-Ti-B system // Acta Materialia. 2015. V. 84. P. 292304. DOI: 10.1016/j.actamat.2014.10.055.
Kotadia H.R., Qian M., Eskin D.G., Das A. On the microstructural refinement in commercial purity Al and Al-10 wt% Cu alloy under ultrasonication during solidification // Materials & Design. 2017. V. 132. P. 266-274. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.06.065.
Li Y., Bai Q.L., Liu J.C., Li HX., Du Q., Zhang J.S., Zhuang L.Z. The influences of grain size and morphology on the hot tearing susceptibility, contraction, and load behaviors of AA7050 alloy inoculated with Al-5Ti-1B master alloy // Metallurgical and Materials Transactions A. 2016. V. 47. No. 8. P. 4024-4037. DOI: 10.1007/s11661-016-3543-2.
Zhukov I., Promakhov V., Vorozhtsov S., Kozulin A., Khrustalyov A., Vorozhtsov A. Influence of Dispersion Hardening and Severe Plastic Deformation on Structure, Strength and Ductility Behavior of an AA6082 Aluminum Alloy // JOM. 2018. V. 70. No. 11. P. 2731-2738. DOI: 10.1007/s11837-018-3132-5.
Li B., Zhang Z., Shen Y., Hu W., Luo L. Dissimilar friction stir welding of Ti-6Al-4V alloy and aluminum alloy employing a modified butt joint configuration: Influences of process variables on the weld interfaces and tensile properties // Materials & Design. 2014. V. 53. P. 838-848. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.07.019.
Ahmad Z. The properties and application of scandium-reinforced aluminum // JOM. 2003. V. 55. No. 2. P. 35-39. DOI: 10.1007/s11837-003-0224-6.
Yan S.J., Dai S.L., Zhang X.Y., Yang C., Hong Q.H., Chen J.Z., Lin Z.M. Investigating aluminum alloy reinforced by graphene nanoflakes // Materials Science and Engineering: A. 2014. V. 612. P. 440-444. DOI: 10.1016/j.msea.2014.06.077.
Vorozhtsov S., Minkov L., Dammer V., Khrustalyov A., Zhukov I., Promakhov V., Vorozhtsov A., Khmeleva M. Ex situ introduction and distribution of nonmetallic particles in aluminum melt: modeling and experiment // JOM. 2017. V. 69. No. 12. P. 2653-2657. DOI: 10.1007/s11837-017-2594-1.
Lee S., Utsunomiya A., Akamatsu H., Neishi K., Furukawa M., Horita Z., Langdon T.G. Influence of scandium and zirconium on grain stability and superplastic ductilities in ultrafinegrained Al-Mg alloys // Acta Materialia. 2002. V. 50. No. 3. P. 553-564. DOI: 10.1016/S1359-6454(01)00368-8.
Filatov Y.A., Yelagin V.I., Zakharov V.V. New Al-Mg-Sc alloys // Materials Science and Engineering: A. 2000. V. 280. No. 1. P. 97-101. DOI: 10.1016/S0921-5093(99)00673-5. Исследование влияния частиц T1B2 на структуру, деформационное поведение и свойства 113
Jones R.H. The influence of hydrogen on the stress-corrosion cracking of low-strength Al-Mg alloys // JOM. 2003. V. 55. No. 2. P. 42-46. DOI: 10.1007/s11837-003-0225-5.
Kawazoe M., Shibata T., Mukai T., Higashi K. Elevated temperature mechanical properties of A 5056 Al-Mg alloy processed by equal-channel-angular-extrusion // Scripta Materialia. 1997. V. 36. No. 6. P. 699-705. DOI: 10.1016/S1359-6462(96)00446-0.
 Исследование влияния частиц TiB<sub>2</sub> на структуру, деформационное поведение и свойства алюминиевого сплава 1550 | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2020. № 67. DOI: 10.17223/19988621/67/10

Исследование влияния частиц TiB2 на структуру, деформационное поведение и свойства алюминиевого сплава 1550 | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2020. № 67. DOI: 10.17223/19988621/67/10