powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2023-3-22-29powder-824Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsВлияние деформационно-термической обработки на формирование структуры дисперсно-армированного металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплаваInfluence of thermomechanical treatment on the formation of the structure in dispersed-reinforced aluminum alloy-based metal composite materialsНяфкинА. Н.NyafkinA. N.

Андрей Николаевич Няфкин – начальник участка лаборатории № 626

Россия, 105275, г. Москва, пр-т Буденного, 25А

Andrey N. Nyafkin – Head of the Section of Laboratory No. 626

25A Budyonny Prosp., Moscow 105275, Russia

andrey.viam@mail.ruКосолаповД. В.KosolapovD. V.

Дмитрий Викторович Косолапов – заместитель начальника лаборатории № 626

Россия, 105275, г. Москва, пр-т Буденного, 25А

Dmitry V. Kosolapov – Deputy Head of Laboratory No. 626

25A Budyonny Prosp., Moscow 105275, Russia

d.kosolapov87@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8458-2332КурбаткинаЕ. И.KurbatkinaE. I.

Елена Игоревна Курбаткина – к.т.н., начальник лаборатории № 626

Россия, 105275, г. Москва, пр-т Буденного, 25А

Elena I. Kurbatkina – Cand. Sci. (Eng.), Head of Laboratory No. 626

25A Budyonny Prosp., Moscow 105275, Russia

elena.kurbatkina@mail.ruВсероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»РоссияAll-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials of the National Research Center “Kurchatov Institute”Russian Federation2023200920231732229Copyright © НИТУ "МИСИС", 20232023НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/824

Исследованы аспекты формирования структуры дисперсно-армированного металлического композиционного материала (МКМ) на основе алюминиевого сплава в зависимости от различных режимов деформационно-термической обработки. Замена традиционных конструкционных материалов на МКМ позволит производителям перейти на качественно более высокий технический уровень. Подбор состава, изменение соотношения исходных компонентов и применение различных методов изготовления МКМ позволяют направленно регулировать прочность, жесткость, диапазон рабочих температур и другие физико-механические характеристики материала. Существуют две наиболее распространенные технологии получения дисперсно-армированных МКМ на основе алюминиевых сплавов – жидкофазная и порошковая. Первая предполагает размешивание армирующего компонента в расплаве матричного сплава с последующей кристаллизацией, которая обеспечивает распределение и фиксацию армирующих частиц в объеме матрицы, а вторая представляет собой совместную обработку порошков исходных компонентов в высокоэнергетических мельницах с последующим объединением полученных композиционных гранул методами обработки давлением. Основной целью деформационно-термической обработки является получение заготовок с формой, максимально приближенной к геометрии конечных изделий, а также изменение структуры деформируемого материала, приводящее к повышению уровня прочностных свойств. В работе с использованием порошковой технологии были изготовлены образцы монолитного композиционного материала, исследована их структура и проведены испытания с целью определения плотности и прочностных характеристик МКМ при комнатной температуре. В результате получены дисперсно-армированные МКМ на основе алюминиевого сплава с однородной структурой, плотностью более 99,0 % от теоретической и повышенными механическими свойствами: σв = 300÷305 МПа и Е = 87÷95 ГПа.

The study explored various facets of the structure of dispersed-reinforced aluminum alloy-based metal composite material (MCM) under different modes of thermomechanical treatment. Replacing traditional structural materials with MCM provides manufacturers with an opportunity to achieve higher levels of engineering superiority. The ability to choose composition, modify primary component ratios, and employ a range of MCM manufacturing techniques allows for precise tuning of the material's strength, rigidity, temperature range, and other physical and mechanical properties. Two prevalent technologies for crafting dispersed-reinforced aluminum alloy-based MCM exist: liquid-phase and powder technologies. Liquid-phase methodology entails merging the reinforcing component into the binder alloy's melt, followed by crystallization. This process guarantees the dispersion and fixation of reinforcing particles within the binder volume. In contrast, powder technology involves simultaneous processing of primary component powders in high-energy mills, with subsequent amalgamation of the resultant composite granules via pressure molding. The chief aim of thermomechanical treatment lies in yielding blanks that closely mimic the final product's geometry and reshaping the deformable material's structure to heighten its strength properties. Powder technology was employed to fabricate monolithic composite material samples. Their structures were analyzed, accompanied by tests to ascertain density and strength parameters of the MCM at room temperature. Consequently, dispersed-reinforced aluminum alloy-based MCM possessing a uniform structure, density exceeding 99.0 % of the theoretical value, and elevated mechanical attributes: σu = 300÷305 MPa and E = 87÷95 GPa, were successfully produced.

металлический композиционный материал (МКМ)алюминиевый сплавдеформационно-термическая обработкапрессованиеструктурапрочностные характеристикиmetal composite material (MCM)aluminum alloythermomechanical treatmentpressingstructurestrength propertiesReferencesКаблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра. Металлы Евразии. 2015;1:36–39.Kablov E.N. Composites: Today and tomorrow. Metally Eurazii. 2015;1:36–39. (In Russ.).Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». Авиационные материалы и технологии. 2015;1(34):3–33. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33Kablov E.N. Innovative developments of the Federal State Unitary Enterprise “VIAM” of the State Scientific Center of the Russian Federation for the implementation of the “Strategic directions for the development of materials and technologies for their processing for the period up to 2030”. Aviationnye materialy i technologii. 2015;1(34): 3–33. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33Fakhir Aziz Rasul Rozhbiany, Shawnim Rashied Jalal Reinforcement and processing on the machinability and mechanical properties of aluminum matrix compo­sites. Journal of Materials Research and Technology. 2019;8(5):4766–4777. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.08.023Fakhir Aziz Rasul Rozhbiany, Shawnim Rashied Jalal Reinforcement and processing on the machinability and mechanical properties of aluminum matrix compo­sites. Journal of Materials Research and Technology. 2019;8(5):4766–4777. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.08.023Alaneme K.K., Bodunrin M.O. Corrosion behavior of alumina reinforced aluminium (6063) metal matrix compo­sites. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. 2011;10(12):1153–1165. https://dx.doi.org/10.4236/jmmce.2011.1012088Alaneme K.K., Bodunrin M.O. Corrosion behavior of alumina reinforced aluminium (6063) metal matrix compo­sites. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. 2011;10(12):1153–1165. https://dx.doi.org/10.4236/jmmce.2011.1012088Sheng-Han Li and Chuen-Guang Chao. Effects of carbon fiber/Al interface on mechanical properties of carbon-fiber-reinforced aluminum-matrix composites. Metallurgical and Materials Transactions A. 2004; 35(7):2153–2160. https://doi.org/10.1007/s11661-004-0163-zSheng-Han Li and Chuen-Guang Chao. Effects of carbon fiber/Al interface on mechanical properties of carbon-fiber-reinforced aluminum-matrix composites. Metallurgical and Materials Transactions A. 2004; 35(7):2153–2160. https://doi.org/10.1007/s11661-004-0163-zSingh J., Chauhan A. Characterization of hybrid aluminum matrix composites for advanced applications – А review. Journal of Materials Research and Technology. 2015;3(2). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2015.05.004Singh J., Chauhan A. Characterization of hybrid aluminum matrix composites for advanced applications – А review. Journal of Materials Research and Technology. 2015;3(2). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2015.05.004Антипов В.В. Перспективы развития алюминиевых, магниевых и титановых сплавов для изделий авиационно-космической техники. Авиационные материалы и технологии. 2017;S:186–194. http://dx.doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-S-186-194Antipov V.V. Prospects for development of aluminum, magnesium and titanium alloys for aerospace engeneering. Aviatsionnie materialy i technologii. 2017;S:186–194. (In Russ.). https://dx.doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-S-186-194Гращенков Д.В. Стратегия развития неметаллических материалов, металлических композиционных материалов и теплозащиты. Авиационные материалы и технологии. 2017;S:264–271. https://dx.doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-S-264-271Grashchenkov D.V. Strategy of development of non-metallic materials, metal composite materials and heat-shielding. Aviatsionnie materialy i technologii. 2017;S: 264–271. (In Russ.). https://dx.doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-S-264-271Kablov E.N., Grashchenkov D.V., Shchetanov B.V., Shavnev A.A., et al. AlSiC-based metal matrix compo­sites for power electronic devices. Composites: Mechanics, Computations, Applications. 2013; 4:(1):65–74. https://dx.doi.org/10.1615/CompMechComputApplIntJ.v4.i1.40Kablov E.N., Grashchenkov D.V., Shchetanov B.V., Shavnev A.A., et al. AlSiC-based metal matrix compo­sites for power electronic devices. Composites: Mechanics, Computations, Applications. 2013; 4:(1):65–74. https://dx.doi.org/10.1615/CompMechComputApplIntJ.v4.i1.40Стоякина Е.А., Курбаткина Е.И., Симонов В.Н., Косолапов Д.В., Гололобов А.В. Механические свойства алюмоматричных композиционных материалов, упрочненных частицами SiC, в зависимости от мат­ричного сплава. Труды ВИАМ. 2018;2:62–73. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2018-0-2-8-8Stoyakina E.A., Kurbatkina E.I., Simonov V.N., Koso­lapov D.V., Gololobov A.V. Russ. Mechanical properties of aluminum-matrix composite materials reinforced with SiC particles, depending on the matrix alloy (review). Trudy VIAM. 2018;2:62–73. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2307-6046-2018-0-2-8-8Няфкин А.Н., Лощинин Ю.В., Курбаткина Е.И., Косолапов Д.В. Исследование влияния фракционного состава карбида кремния на теплопроводность композиционного материала на основе алюминиевого сплава. Труды ВИАМ. 2019;(11):53–59. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2019-0-11-53-59Nyafkin A.N., Loshinin Yu.V., Kurbatkina E.I., Kosolapov D.V. Investigation of the influence of silicon carbide fractional composition on thermal conductivity of composite material based on aluminum alloy. Trudy VIAM. 2019;(11):53–59. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2307-6046-2019-0-11-53-59El Moumen A., Kanit T., Imad A., El Minor H. Effect of reinforcement shape on physical properties and representative volume element of particles-reinforced composites: Statistical and numerical approaches. Mechanics of Materials. 2015;(83):1–16. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2014.12.008El Moumen A., Kanit T., Imad A., El Minor H. Effect of reinforcement shape on physical properties and representative volume element of particles-reinforced composites: Statistical and numerical approaches. Mechanics of Materials. 2015;(83):1–16. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2014.12.008Yuan W., Zhang J., Zhang C., Chen Z. Processing of ultrahigh strength SiCp/Al–Zn–Mg–Cu composi­tes. Journal of Materials Processing Technology. 2009;209(7):3251–3255. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.07.030Yuan W., Zhang J., Zhang C., Chen Z. Processing of ultrahigh strength SiCp/Al–Zn–Mg–Cu composi­tes. Journal of Materials Processing Technology. 2009;209(7):3251–3255. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.07.030Косолапов Д.В., Шавнев А.А., Курбаткина Е.И., Няфкин А.Н., Гололобов А.В. Исследование структуры и свойств дисперсно-упрочненного МКМ на основе алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si. Труды ВИАМ. 2020;(1):58–67. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-1-58-67Kosolapov D.V., Shavnev A.A., Kurbatkina E.I., Nyaf­kin A.N., Gololobov A.V. Study of structure and properties of dispersion hardened MCM based on aluminum alloy of Al–Mg–Si system. Trudy VIAM. 2020;(1):58–67. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-1-58-67Miller W.S., Humphreys F.J. Strengthening mechanisms in particulate metal matrix composites. Scripta Metallurgica et Materialia. 1991;25(1):33–38. https://doi.org/10.1016/0956-716X(91)90349-6Miller W.S., Humphreys F.J. Strengthening mechanisms in particulate metal matrix composites. Scripta Metallurgica et Materialia. 1991;25(1):33–38. https://doi.org/10.1016/0956-716X(91)90349-6Abdoli H., Salahi E., Farnoush H., Pourazrang K. Evolutions during synthesis of Al–AlN-nanostructured composite powder by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds. 2008;461(1–2):166–172. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.07.054Abdoli H., Salahi E., Farnoush H., Pourazrang K. Evolutions during synthesis of Al–AlN-nanostructured composite powder by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds. 2008;461(1–2):166–172. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.07.054Березовский В.В., Шавнев А.А., Ломов С.Б., Курганова Ю.А. Получение и анализ структуры дисперсноупрочненных композиционных материалов системы Al–SiC с различным содержанием армирующей фазы. Авиационные материалы и технологии. 2014;S(6):17–23. http://dx.doi.org/10.18577/2071-9140-2014-0-s6-17-23Berezovsky V.V., Shavnev A.A., Lomov S.B., Kurga­nova Yu.A. Receiving and the analysis of structure of the disperce strengthened composite materials of Al-SiC system with the different maintenance of the reinforcing phase. Aviatsionnie materialy i technologii. 2014;S(6): 17–23. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2071–9140–2014–0–s6–17–23Ranjit Bauri, Mirle Surappa. Processing and properties of Al–Li–SiCp composites. Science and Technology of Advanced Materials. 2007;8(6):494–502. https://doi.org/10.1016/j.stam.2007.07.004Ranjit Bauri, Mirle Surappa. Processing and properties of Al–Li–SiCp composites. Science and Technology of Advanced Materials. 2007;8(6):494–502. https://doi.org/10.1016/j.stam.2007.07.004Ogie N.A., Oyejide O.J., Akusu O.M., Udumebraye J.E. Effect of compaction on thermal conductivity of aluminium powder. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology. 2018;6(2):1–5.Ogie N.A., Oyejide O.J., Akusu O.M., Udumebraye J.E. Effect of compaction on thermal conductivity of aluminium powder. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology. 2018;6(2):1–5.Kumar V.R., Mahesh N.S., Anwar M.I. Numerical analysis of powder compaction to obtain high relative density in ‘601AB’ aluminum powder.‏ SasTech Journal. 2012;11(1):79–84.Kumar V.R., Mahesh N.S., Anwar M.I. Numerical analysis of powder compaction to obtain high relative density in ‘601AB’ aluminum powder.‏ SasTech Journal. 2012;11(1):79–84.Radu Muresan. Research into the warm compaction of metal powders. Materials Research Proceedings. 2018;8: 152–156. http://dx.doi.org/10.21741/9781945291999-17Radu Muresan. Research into the warm compaction of metal powders. Materials Research Proceedings. 2018;8: 152–156. http://dx.doi.org/10.21741/9781945291999-17Няфкин А.Н., Шавнев А.А., Курбаткина Е.И., Косола­пов Д.В. Исследование влияния размера частиц карбида кремния на температурный коэффициент линейного расширения композиционного материала на основе алюминиевого сплава. Труды ВИАМ. 2020;(2):41–49. https://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-2-41-49Nyafkin A.N., Shavnev A.A., Kurbatkina E.I., Kosola­pov D.V. Studying the effect of silicon carbide particle size on the thermal coefficient linear expansion of the composite material based on aluminum alloy. Trudy VIAM. 2020;(2):41–49. (In Russ.). https://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-2-41-49

The authors declare that there are no conflicts of interest present.