Influence of tungsten nanoparticles on the structure and mechanical behavior of the 1550 aluminum alloy under quasi-stat.pdf Композиты с металлической матрицей на основе алюминия привлекательны для автомобильной и аэрокосмической промышленности благодаря сочетанию их физико-механических свойств и стойкости к окислению [1, 2]. Неметаллические материалы (оксиды, нитриды, карбиды, интерметаллиды) обычно используются в качестве упрочняющих частиц алюминиевых композитов. Упрочняющие частицы вводятся «ex-situ» методом [3], где упрочнитель синтезируется перед добавлением в матрицу, либо «in-situ» [4-6], где в матрицу вводятся материалы, реагирующие с матрицей для синтеза упрочняющих частиц. При использовании «ex-situ» метода возможно заранее задавать параметры дисперсности и фазового состава упрочняющих частиц, а для упрочнения как правило используются Al2O3 [7, 8], SiC [9, 10], B4C [11, 12] и другие неметаллические частицы. Наиболее эффективное упрочнение достигается при введении наночастиц, при этом они должны быть равномерно распределены в объёме алюминиевой матрицы и иметь с ней хорошую связь, которая сохранится во время движения дислокации. Авторами [13] был получен композит Al/Al3Ti, модуль Юнга которого увеличился на 57% и составил 110 ГПа. Изготовление таких материалов возможно различными способами, однако технологии литья представляют собой наиболее универсальный и эффективный способ [14, 15]. При этом получение композитных материалов с помощью литья связано с рядом проблем, обусловленных агломерацией и флотацией частиц из-за плохой смачиваемости жидким расплавом [16-19]. В результате этого наблюдается снижение плотности композита, неоднородность структуры, что приводит к снижению его механических характеристик. Решение этой проблемы возможно несколькими способами: нанесением покрытий на частицы, повышающих смачиваемость [20], применением лигатур и воздействием внешних полей на металлический расплав. 1 Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-79-00060). А.П. Хрусталёв, В.В. Платов, Н.И. Кахидзе, И.А. Жуков, А.Б. Ворожцов 142 Алюминиевый сплав 1550 используется в основном в виде листового проката. Наибольшие показатели свойств данного сплава достигаются за счёт дисперсионного твердения при введении таких элементов, как цирконий или скандий [21-23]. Основным недостатком данного метода, является высокая стоимость, которая приводит к значительному удорожанию изделий. В ряде работ сообщается об использовании вольфрама для получения композитов на основе алюминия. В процессе литья возможно взаимодействие [24-27] металлического вольфрама с алюминиевой матрицей и образование интерметаллических соединений Al4W, Al5W и Al12W, а процесс будет совмещать «in-situ» и «ex-situ» методы в одной технологии. Механизм образования интерметаллического соединения во время обработки можно объяснить процессом диффузии [28]. В рамках данного исследования были использованы наночастицы вольфрама для изготовления алюминиевого композита. При этом известно, что вольфрам имеет высокую температуру плавления, высокую прочность и низкий коэффициент теплового расширения. Исследования таких материалов показывали значительное увеличение механических и электрических свойств алюминиевых сплавов [29]. Частицы вольфрама и интерметаллиды W-Al в алюминиевой матрице могут улучшить механические характеристики, такие, как прочность, стойкость к окислению и термическая стабильность по сравнению с исходным алюминием. Низкая растворимость вольфрама в алюминии и высокая реакционная способность позволяют получить алюминиевый композит, упрочнённый наночастицами. Таким образом, цель работы: исследование влияния наночастиц вольфрама на структуру и механические свойства алюминиевого сплава Al-Mg после литья. Материалы и методы исследований В качестве исходного сплава использован алюминиевый сплав 1550 (91.9-94.68% Al, 4.8-5.8% Mg). 1 кг сплава 1550 помещали в тигель, расплавляли в муфельной печи (780 °С) и выдерживали в течение двух часов. Затем тигель с помощью захвата извлекали из печи и вводили порошок вольфрама при температуре расплава 730 °С с последующим воздействием механического смесителя, вращающегося со скоростью 500 об/мин в течение 30 с. При температуре 720 °С расплав заливался в стальной кокиль, установленный на вибростоле, совершающем колебания с частотой 60 Гц и амплитудой 0.5 мм. Исходный сплав 1550 был получен при аналогичных условиях без введения наночастиц вольфрама. Структура материалов исследована методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе Quanta 200 3D и методом оптической микроскопии на микроскопе Olympus GX71. Дисперсность частиц исследована с использованием полученных изображений методом случайных секущих. Механические испытания проведены на универсальной испытательной машине Instron 3369 со скоростью движения траверсы 0.2 мм/мин. Образцы вырезались из отливок при помощи электроэрозионной резки и представляли собой плоские лопатки, толщиной 2 мм с соотношением ширины рабочей части и места захвата > 1.5. Испытания проводились согласно ASTM B557-15. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлены РЭМ (рис. 1, а) и ПЭМ (рис. 1, b) изображения нанопорошка вольфрама, полученного методом электрического взрыва проводника. Частицы в порошке имеют правильную сферическую форму, а их средний размер Влияние наночастиц вольфрама на структуру и механическое поведение 143 составляет 200 нм. В порошке наблюдаются крупные частицы, размер которых достигает 10 мкм, что связано с особенностями получения порошка в процессе электрического взрыва в камере. Рис. 1. РЭМ (a) и ПЭМ (b) изображения нанопорошка вольфрама Fig. 1. SEM (a) and TEM (b) images of a tungsten nanopowder На рис. 2 представлены оптические изображения микроструктуры полученных сплавов. Рис. 2. Оптические изображения микроструктуры сплавов 1550 (а) и 1550-W (b) Fig. 2. Optical images of a microstructure of (a) 1550 and (b) 1550-W alloys Наночастицы вольфрама не оказывают модифицирующего воздействия на структуру сплава 1550, средний размер которого составил около 180 мкм. При этом видно, что структура сплавов достаточно однородная с равноосными зёрнами. В структуре сплавов присутствуют поры, однако пористость сплавов не превышает 5%. Известно, что вольфрам реагирует с алюминием и возможно образование интерметаллидов Al-W. На рис. 3 представлены РЭМ-изображения сплава 1550-W с результатами картирования по элементам. В структуре сплава 1550-W видны включения пор размером не более 1 мкм. При этом структура сплава достаточно однородная, без видимого скопления пор и агломератов наночастиц вольфрама (рис. 3, а). При этом в некоторых порах наблюдаются микрочастицы вольфрама (рис. 3, b), которые появляются в них из-за влияния фронта кристаллизации, который вытесняет их в газовые полости сплава. А.П. Хрусталёв, В.В. Платов, Н.И. Кахидзе, И.А. Жуков, А.Б. Ворожцов 144 Картирование по элементам (рис. 3, с, d) показало, что вольфрам распределён равномерно в алюминиевой матрице. Рис. 3. РЭМ-изображения 1550-W (a, Ь) и результаты картирования по элементам (c, d) Fig. 3. (a, Ь) SEM images of the 1550-W alloy and (c, d) elemental mapping results Диаграммы нагружения и характеристики полученных сплавов представлены на рис. 4 и в таблице соответственно. Из диаграммы нагружения полученных сплавов (рис. 4) видно, что введение в сплав наночастиц вольфрама приводит к увеличению значений предела текучести и максимальных деформаций до разрушения сплава 1550. Введение 0.5 мас.% наночастиц вольфрама приводит к увеличению значений предела текучести с 52 до 79 МПа и максимальных деформаций до разрушения с 1.9 до 5.5%. Также наблюдается незначительное увеличение значений предела прочности с 140 до 155 МПа. Авторы [30] наблюдали аналогичную зависимость для алюминиевого сплава, когда увеличиваются значения предела текучести, предела прочности и максимальных деформаций. Предполагается, что введение частиц в тело зерна может привести к отклонению потенциальной трещины от границы зерна в его объем, а также к большему вовлечению металлической матрицы в процесс деформации и разрушения [31, 32]. Кроме этого, введение наночастиц вольфрама приводит Влияние наночастиц вольфрама на структуру и механическое поведение 145 Рис. 4. Диаграммы растяжения алюминиевых сплавов: 1550 (1) и 1550-W (2) Fig. 4. Tensile diagrams for aluminum alloys: (1) 1550 and (2) 1550-W Структурные и механические характеристики полученных сплавов Сплав Размер зерна, мкм Твёрдость, HB Микротвёрдость, HV а0.2, МПа ав, МПа ^max:, % 1550 250 ± 17 58.8 ± 3 67.4 ± 11.2 52.5 ± 3 140 ± 7.6 1.9 ± 0.8 1550-0.5 W 158 ± 26 63.7 ± 1.1 85.7 ± 14.4 79.4 ± 1.6 155.4 ± 6 5.5 ± 1.13 к увеличению твёрдости и микротвёрдости (таблица) сплава 1550 с 58 до 63 HB и с 67 до 85 HV соответственно. Основываясь на данных микроструктуры (рис. 2), можно предположить, что увеличение механических характеристик происходит за счёт механизмов Орована [33, 34], разности коэффициентов теплового расширения (КТР) матрицы и частиц [35] и передачи нагрузки от частиц к матрице [36]. Механизм передачи нагрузки от частиц к матрице можно оценить с использованием формулы (1) °load = 0.5Vp, где Vp - объёмное содержание наночастиц вольфрама, а cm - предел текучести матрицы (52.5 МПа). Вклад механизма передачи нагрузки от частиц к матрице в данном случае составил 1.83 МПа. Это обусловлено высокой плотностью вольфрама (19.25 г/см3), объёмное содержание которого в сплаве не превышает 0.07 об. %. При этом такой массовый процент частиц в сплаве, как правило, используется при модифицировании алюминиевых сплавов, например микрочастицами TiB2 [37], в результате чего происходит измельчение зерна сплава. Вклад механизма Орована рассчитывается по формуле CTOR 0-13bGm ln dp_ X 2b (2) где X - значение, учитывающее размер и объёмное содержание частиц, которое рассчитывается как 146 А.П. Хрусталёв, В.В. Платов, Н.И. Кахидзе, И.А. Жуков, А.Б. Ворожцов 1 і *=d «Ѵ )3 “1К p (3) где b - вектор Бюргерса; Gm - модуль сдвига; dp - диаметр наночастиц. Рассчитанный вклад наночастиц вольфрама в механические свойства сплава 1550 по механизму Орована составил 30.5 МПа. Вклад механизма разности КТР матрицы и частиц рассчитывается по формуле ^cte = PGb( 12(am - ap )ДТѴр ) blp (1 - Ѵр) ) (4) где lp - расстояние между частицами; в - константа (~1.25); am - КТР матрицы (23-10-6 К-1); ap - КТР частиц; АТ - разность между температурой синтеза (725 °С) и комнатной температурой (25 °С). Несмотря на то, что вольфрам имеет более низкий КТР по сравнению с алюминиевой матрицей, расчёт вклада данного механизма невозможен из-за малого объёмного содержания наночастиц, что свидетельствует о доминирующем действии механизма Орована в увеличении механических свойств сплава. Исследования поверхности разрушения сплавов 1550-W (рис. 5) позволили выявить наночастицы вольфрама в структуре алюминиевого сплава. Рис. 5. РЭМ-изображения поверхности разрушения сплава 1550-W: 150x (a), 500x (b), 5000x (c) Fig. 5. SEM images of the fracture surface of the 1550-W alloy: (a) 150x, (b) 500x, and (c) 5000x Влияние наночастиц вольфрама на структуру и механическое поведение 147 В целом разрушение сплава 1550-W (рис. 5, а) имеет явно выраженное разрушение по вязкому транскристаллитному механизму. На поверхности дендритов (рис. 5, b) отсутствуют частицы вольфрама и их агломераты, что свидетельствует о малом количестве упрочнителей, находящихся в микропорах сплава, как было показано на рис. 3, а. Стоит отметить, что при исследовании структуры на оптическом микроскопе в сплаве 1550-W были определены участки с дефектами (рис. 2, Ь), которые, по всей видимости, результат не полностью однородного распределения наночастиц вольфрама в сплаве: в объёме слитка присутствуют скопления отдельных наночастиц и их агломератов (рис. 5, c). Процесс получения алюминиевого сплава требует оптимизации для более равномерного распределения наночастиц. Кроме этого, важным является исследование влияния объёмного содержания «тяжёлых» наночастиц вольфрама на изменение механических свойств алюминиевого сплава 1550. Заключение Установлено, что наночастицы вольфрама не позволяют измельчать размер зерна алюминиевого сплава 1550, средний размер которого составил 180 мкм. Введение наночастиц вольфрама позволило повысить показатели твёрдости и микротвёрдости сплава с 58 до 63 HB и с 67 до 85 HV соответственно, значения предела текучести с 52 до 79 МПа, предела прочности со 140 до 155 МПа и максимальных деформаций до разрушения с 1.9 до 5.5%. С использованием расчётных данных показано, что доминирующим механизмом увеличения механических свойств является механизм Орована. На основе фрактографических исследований установлено, что наночастицы вольфрама неравномерно распределены в объёме сплава, а дополнительная оптимизация процесса введения наночастиц и литья сплава должна позволить улучшить прочностные свойства.

Скачать электронную версию публикации