Микроструктурные, механические и трибологические характеристики композитов с гибридной матрицей Al/Cu, упрочненных керамическими частицами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Алюминий и его сплавы имеют широкий диапазон применения благодаря его низкой плотности, стоимости и высокой удельной прочности. Особенно перспективными являются композиты с матрицей Al–Cu с превосходными микроструктурными и механическими характеристиками. За счет образования интерметаллида, содержащего Cu, свойства сплавов на основе Al были значительно улучшены. В данном исследовании композиты с матрицей из чистого алюминия и Cu, упрочненные керамическими микрочастицами на основе карбида SiC и оксида ZrO2, были изготовлены методами порошковой металлургии. Исходные смеси Al–Cu трех различных составвов были подвергнуты жидкофазному спеканию в трубчатой печи при температурах 380°C и 580°C в течение 4 ч в инертной атмосфере. Согласно результатам, полученным с помощью сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, все образцы имеют однородную микроструктуру. Было обнаружено, что повышение температуры спекания увеличивает плотность композита. Добавление в композит преимущественно Cu и керамических упрочняющих частиц повысило твердость почти в 2 раза. За счет образования интерметаллидов были получены самые высокие значения твердости, например 173.73 HV, для образцов с большим содержанием Cu. В ходе испытаний на износ было обнаружено, что образцы, спеченные при высоких температурах, имеют лучшие трибологические характеристики. Так, увеличение содержания Cu улучшает фрикционное поведение образцов. Увеличение содержания Cu усиливает образование интерметаллидов в образцах с высоким содержанием Cu, спеченных при более высоких температурах, износостойкость возросла в 2–6 раз. По результатам проведенных испытаний были определены оптимальные химические составы и параметры изготовления.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Эсад Кайя

Эскишехирский университет Османгази

Автор, ответственный за переписку.
Email: esatkaya@ogu.edu.tr

Факультет машиноведения

Турция, Эксишехир, 26480

Пелин Чагум Токат Биргин

Университет Кютахья Думлупинар

Email: esatkaya@ogu.edu.tr

Факультет металлургии и металловедения

Турция, Кютахья, 43020

Список литературы

  1. Vijayakumar K., Prabhu L., Subin B.S., Satheen S., and Vaishnav K. Development of Hybrid Aluminium Metal Matrix Composites for Marine Applications // Iop. Conf. Ser.-Mat. Sci. 2020. V. 993. P. 012016.
  2. Srivyas P.D. and Charoo M.S. Role of Reinforcements on the Mechanical and Tribological Behavior of Aluminum Metal Matrix Composites — A Review // Mater. Today-Proc. 2018. V. 5. P. 20041–20053.
  3. Salleh M.S. Influence Of Short Heat Treatment On The Microstructures And Mechanical Properties Of Thixoformed Aluminum Alloy Composite // Malaysian Tribology Society. 2021. V. 28. P. 96–104.
  4. Siva Prasad D. and Shoba C. Hybrid composites — a better choice for high wear resistant materials // J. Mater. Res. 2014. V. 3. P. 172–178.
  5. Nagaral M., Shivananda B.K., Jayachandran, Auradi V., and Kori S.A. Effect of SiC and Graphite Particulates Addition on Wear Behaviour of Al2219 Alloy Hybrid Composites // Iop. Conf. Ser.-Mat. Sci. 2016. V. 149. P. 012108.
  6. Ghosh Sh., Sahoo P., Sutradhar G. Wear Behaviour of Al-SiCp Metal Matrix Composites and Optimization Using Taguchi Method and Grey Relational Analysis // Jom.-J. Min. Met. Mat. S. 2012. V. 11. P. 1085–1094.
  7. Radhika R.S.N., Venkat Prasat S. Tribological Behaviour of Aluminium/Alumina/Graphite Hybrid Metal Matrix Composite Using Taguchi’s Techniques // Jom.-J. Min. Met. Mat. S. 2011. V. 10. P. 427–443.
  8. Rahman M.H. and Rashed H.M.M.A. Characterization of Silicon Carbide Reinforced Aluminum Matrix Composites // Procedıa Engineer. 2014. V. 90. P. 103–109.
  9. Ogel B. and Gurbuz R. Microstructural characterization and tensile properties of hot pressed Al–SiC composites prepared from pure Al and Cu powders // Mat. Sci. Eng. A. 2001. V. 301. P. 213–220.
  10. Ramanathan A., Krishnan P.K., and Muraliraja R. A review on the production of metal matrix composites through stir casting — Furnace design, properties, challenges, and research opportunities // J. Manuf. Process. 2019. V. 42. P. 213–245.
  11. Ashebir D.A., Mengesha G.A., Sinha D.K., and Mohan D.G. An Insight into Mechanical and Metallurgical Behavior of Hybrid Reinforced Aluminum Metal Matrix Composite // Adv. Mater. Sci. Eng. 2022. V. 2022. P. 1–31.
  12. Yang L.J. The transient and steady wear coefficients of A6061 aluminium alloy reinforced with alumina particles // Compos. Sci. Technol. 2003. V. 63. P. 575–583.
  13. Shorowordi K.M., Haseeb A.S.M.A., and Celis J.P. Velocity effects on the wear, friction and tribochemistry of aluminum MMC sliding against phenolic brake pad // Wear. 2004. V. 256. P. 1176–1181.
  14. Shirinkina I.G., Brodova I.G., Rasposienko D.Y., Muradymov R.V., Elshina L.A., Shorokhov E.V., Razorenov S.V., and Garkushin G.V. The Effect of Graphene Additives on the Structure and Properties of Aluminum // Phys. Met. Metal. 2021. V. 121. P. 1193–1202.
  15. Brodova I.G., Volkov A.Y., Shirinkina I.G., Kalonov A.A., Yablonskikh T.I., Astaf’ev V.V., and Elokhina L.V. Evolution of the Structure and Properties of Al/Cu/Mg Ternary Composites during Thermomechanical Treatment // Phys. Met. Metal. 2019. V. 119. P. 1210–1216.
  16. Volkova E.G., Antonov B.D., Zavalishin V.A., Knyazev Y.V., Gavrilova A.A., and Volkov A.Y. The Structure of Cast Al2Au Intermetallic Compound with Added Cu // Phys. Met. Metal. 2023. V. 124. P. 544–550.
  17. Volkov A.Y., Kalonov A.A., Zavalishin V.A., Glukhov A.V., Komkova D.A., and Antonov B.D. The Influence of Interfaces on the Physicomechanical Properties of Cu/Mg Composites // Phys. Met. Metal. 2020. V. 121. P. 568–574.
  18. Wang Y., Rainforth W.M., Jones H., and Lieblich M. Dry wear behaviour and its relation to microstructure of novel 6092 aluminium alloy–Ni3Al powder metallurgy composite // Wear. 2001. V. 251. P. 1421–1432.
  19. Awotunde M., Adegbenjo A., Ayodele O., Okoro M., Shongwe M., and Olubambi P. Effects of carbon nanotube weight fraction on the fracture toughness of spark plasma sintered nickel aluminide-NiAl3 // Mater. Today-Proc. 2020. V. 28. P. 625–629.
  20. Volkov A.Y., Kalonov A.A., Komkova D.A., and Glukhov A.V. Structure and Properties of Cu/Mg Composites Produced by Hydrostatic Extrusion // Phys. Met. Metal. 2018. V. 119. P. 946–955.
  21. Deryagina I.L., Popova E.N., Valova-Zaharevskaya E.G., and Patrakov E.I. Structure and Thermal Stability of High-Strength Cu-18Nb Composite Depending on the Degree of Deformation // Phys. Met. Metal. 2018. V. 119. P. 92–102.
  22. Kim D., Kim K., and Kwon H. Investigation of Formation Behaviour of Al-Cu Intermetallic Compounds in Al-50vol%Cu Composites Prepared by Spark Plasma Sintering under High Pressure // Materials. 2021. V. 14. P. 266.
  23. Zheng H., Zhang R., Xu Q., Kong X., Sun W., Fu Y., Wu M., and Liu K. Fabrication of Cu/Al/Cu Laminated Composites Reinforced with Graphene by Hot Pressing and Evaluation of Their Electrical Conductivity // Materials. 2023. V. 16. P. 622.
  24. Khisamov R.K., Khalikova G.R., Kistanov A.A., Korznikova G.F., Korznikova E.A., Nazarov K.S., Sergeev S.N., Shayakhmetov R.U., Timiryaev R.R., Yumaguzin Y.M., and Mulyukov R.R. Microstructure, microhardness and work function of in-situ Al-Cu composite processed by mechanical alloying by means of high-pressure torsion // Contınuum Mech. Therm. 2022. V. 35. P. 1433–1444.
  25. Ortiz E.L., Osório W.R., Bortolozo A.D., and Padilha G.S. Alternative Liquid-Assisted Sintering of Al/Cu Composites Using Selected Powders of As-Cast Al-Zn Alloy // Metals. 2022. V. 12. P. 962.
  26. Satizabal L.M., Caurin H.F.N., Meyer Y.A., Padilha G.S., Bortolozo A.D., and Osório W.R. Distinct heat treatments and powder size ratios affecting mechanical responses of Al/Si/Cu composites // J. Compos. Mater. 2021. V. 55. P. 3589–3605.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Значения плотности образцов.

Скачать (66KB)
3. Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы образцов, полученных при различных температурах спекания: (а) 380°C; (б) 580°C. [по оси абсцисс 2θ, град.

Скачать (38KB)
4. Рис. 3. Оптические изображения микроструктуры изготовленных образцов: (a) образец 1; (б) образец 2; (в) образец 3; (г) образец 4; (д) образец 5; (е) образец 6.

Скачать (53KB)
5. Рис. 4. Предельные оптические изображения интерметаллидов, присутствующих в изготовленных образцах: (a) образец 1; (б) образец 2; (в) образец 3; (г) образец 4; (д) образец 5; (е) образец 6.

Скачать (52KB)
6. Рис. 5. SEM-изображения структуры изготовленных образцов: (a) образец 1; (б) образец 2; (в) образец 3; (г) образец 4; (д) образец 5; (е) образец 6.

Скачать (76KB)
7. Рис. 6. (a) SEM и (б) EDX-анализы и (в) схематическая иллюстрация механизма компактирования и (г) процесса спекания с формированием интерметаллидов в образце.

Скачать (88KB)
8. Рис. 7. Полная элементная карта образца 6.

Скачать (36KB)
9. Рис. 8. Измеренные значения микротвердости образцов.

Скачать (34KB)
10. Рис. 9. Интенсивность изнашивания и средний коэффициент трения (COF) образцов.

Скачать (46KB)
11. Рис. 10. Изменение COF при износе образцов.

Скачать (40KB)
12. Рис. 11. SEM и EDХ-анализ поверхности, подвергнутой износу (a) образец 1; (б) образец 2; (в) образец 3; (г) образец 4; (д) образец 5; (е) образец 6.

Скачать (198KB)
13. Рис. 12. Сравнение микроструктурных, механических и трибологических характеристик образцов с различным химическим составом: a — спеченных при 380°C, б — спеченных при 580°C.

Скачать (31KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».