Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия¹ ; Московский политехнический университет, Москва, Россия² ; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия³

В. Б. Деев*, главный научный сотрудник¹, заведующий кафедрой «Оборудование и технологии сварочного производства»², профессор кафедры «Обработка металлов давлением»³, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: deev.vb@mail.ru

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия
Е. С. Прусов, профессор кафедры «Материаловедение и энергетическое машиностроение», докт. техн. наук, доцент

Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия.
Э. Х. Ри, директор Высшей школы промышленной инженерии Политехнического института, докт. техн. наук, профессор
М. А. Ермаков, доцент Высшей школы промышленной инженерии Политехнического института, канд. техн. наук

*Корреспондирующий автор.

риведены результаты исследований влияния комплексной модифицирующей обработки при плавке и кристаллизации с использованием физических (термоскоростная обработка (ТСО), облучение наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ)) и химических (модифицирование щелочными или щелочноземельными металлами) методов на процессы структурообразования при кристаллизации литых алюмоматричных композиционных материалов на основе псевдобинарной системы Al – Mg₂Si в заэвтектической области составов (на примере 15 и 25 % (мас.) Mg₂Si). Проведены серии экспериментальных плавок с получением эндогенно-армированных алюмоматричных композитов в условиях совместного влияния ТСО (от 900 ^оС), модифицирования кальцием и облучения расплава НЭМИ при кристаллизации с варьируемыми параметрами амплитуды импульсов (0, 15, 40 кВ). При комплексной обработке композитов Al – 15 Mg₂Si – Ca отмечено увеличение общего числа частиц Mg2Si (с их измельчением в среднем на 27–30 % при амплитуде НЭМИ 40 кВ в сравнении с композитом, полученным без наложения НЭМИ), но без заметных изменений морфологии. Для композитов Al – 25 Mg₂Si – 0,3 Ca во всех случаях фиксируется дендритоподобная морфология Mg₂Si, хотя и с аналогичным фрагментирующим воздействием НЭМИ при облучении в процессе кристаллизации (на 23–25 % при амплитуде НЭМИ 40 кВ), проявляющимся в измельчении частиц Mg₂Si (с переходом по отдельным включениям к компактной морфологии) и некотором изменении морфологии псевдобинарной эвтектики (α + Mg₂Si). Данные микрорентгеноспектрального анализа показывают, что наложение НЭМИ при кристаллизации приводит к локальному перераспределению элементов (Al, Mg, Si, Ca) в объеме материала, что способствует существенному повышению эффективности модифицирующего действия кальция при дополнительной обработке физическими воздействиями.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 20-19-00687-П, https://rscf.ru/project/23-19-45019/.

1. Campbell J. Complete casting handbook. 2nd ed. Oxford : Butterworth Heinemann, 2015. 1054 p.
2. Easton M. A., Qian M., Prasad A., St. John D. H. Recent advances in grain refinement of light metals and alloys. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2016. Vol. 20. pp. 13–24.
3. Deev V. B., Prusov E. S., Kutsenko A. I. Theoretical and experimental evaluation of the effectiveness of aluminum melt treatment by physical methods. Metallurgia Italiana. 2018. Vol. 110, No. 2. pp. 16–24.
4. Lee S. I., Kayani S. H., Lee Y. H., Kim B. J. et al. The effect of melt thermal-rate treatment on precipitation hardening and mechanical properties of Al – Si – Mg alloys. Journal of Materials Research and Technology. 2024. Vol. 3. pp. 2704–2717.
5. Wang Q., Geng H., Wang F., Lin X., Wang C. Effect of parameters of thermal-rate treatment of melt on iron-containing phases in alloy Al – 15% Si – 2.7% Fe. Metal Science and Heat Treatment. 2016. Vol. 58. pp. 405–410.
6. Eskin D. G. Ultrasonic processing of molten and solidifying aluminium alloys: overview and outlook. Materials Science and Technology. 2017. Vol. 33, Iss. 6. pp. 636–645.
7. Chirita G., Stefanescu I., Soares D., Silva F. S. Influence of vibration on the solidification behaviour and tensile properties of an Al – 18 wt% Si alloy. Materials and Design. 2009. Vol. 30. pp. 1575–1580.
8. Chen H., Jie J., Fu Y., Ma H., Li T. Grain refinement of pure aluminum by direct current pulsed magnetic field and inoculation. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24. pp. 1295–1300.
9. Haghayeghi R., de Paula L.C., Zoqui E. J. Comparison of Si refinement efficiency of electromagnetic stirring and ultrasonic treatment for a hypereutectic Al–Si alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. Vol. 26. pp. 1900–1907.
10. Krymsky V. V., Shaburova N. A., Litvinova E. V. Microstructure and properties of cast metal treated with electromagnetic pulses while in molten state. Materials Science Forum. 2016. Vol. 843. pp. 106–110.
11. Prusov E. S., Panfilov A. A., Kechin V. A. Role of powder precursors in production of composite alloys using liquid-phase methods. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2017. Vol. 58, No. 3. pp. 308–316.
12. Bai G., Liu Z., Lin J., Yu Z. et al. Effects of the addition of lanthanum and ultrasonic stirring on the microstructure and mechanical properties of the in situ Mg2Si/Al composites. Materials and Design. 2013. Vol. 90. pp. 424–432.
13. Akhlaghi A., Noghani M., Emamy M. The effect of La-intermetallic compounds on tensile properties of Al–15%Mg2Si in-situ composite. Procedia Materials Science. 2015. Vol. 11. pp. 55–60.
14. Emamy M., Emami A. R., Khorshidi R., Ghorbani M. R. The effect of Fe-rich intermetallics on the microstructure, hardness and tensile properties of Al – Mg2Si die-cast composite. Materials and Design. 2013. Vol. 46. pp. 881–888.
15. Ghorbani M. R., Emamy M., Khorshidi R., Rasizadehghani J., Emami A. R. Effect of Mn addition on the microstructure and tensile properties of Al – 15%Mg2Si composite. Materials Science and Engineering A. 2012. Vol. 550. pp. 191–198.
16. Prusov E., Deev V., Rakhuba E. Aluminum matrix in-situ composites reinforced with Mg2Si and Al3Ti. Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 11. Part 1. pp. 386–391.
17. Wu X., Zhang G., Wu F. Microstructural characteristics of Mg2Si/Al composite under different superheat and electromagnetic stirring. Rare Metal Materials and Engineering. 2015. Vol. 44, Iss. 3. pp. 576–580.
18. Seth P. P., Parkasha O., Kumar D. Structure and mechanical behavior of in situ developed Mg2Si phase in magnesium and aluminum alloys – a review. RSC Advances. 2020. Vol. 10. pp. 37327–37345.
19. Deev V., Rakhuba E., Prusov E. Physical methods of melt processing at production of aluminum alloys and composites: opportunities and prospects of application. Materials Science Forum. 2019. Vol. 946. pp. 655–660.
20. Nanda P. I., Ghandvar H., Arafat A. Microstructural evolution and tensile properties of Al–20 wt%Mg2Si–0.2 wt%Ba composite solidified under different cooling rates. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2024. Vol. 7, Iss. 2. pp. 260–268.
21. Li C., Wu Y.Y., Li H., Liu X.F. Morphological evolution and growth mechanism of primary Mg2Si phase in Al – Mg2Si alloys. Acta Materialia. 2011. Vol. 59, Iss. 3. pp. 1058–1067.
22. Khorshidi R., Honarbakhsh-Raouf A., Mahmudi R. Effect of minor Gd addition on the microstructure and creep behavior of a cast Al – 15Mg2Si in situ composite. Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 718. pp. 9–18.
23. Wu X. F., Zhang G. G., Wu F. F. Microstructure and dry sliding wear behavior of cast Al – Mg2Si in-situ metal matrix composite modified by Nd. Rare Metals. 2013. Vol. 32. pp. 284–289.
24. Si Y. Effect of Pr modification treatment on the microstructure and mechanical properties of cast Al – Mg2Si metal matrix composite. Advanced Materials Research. 2014. Vol. 936. pp. 23–27.
25. Akhlaghi A., Noghani M., Emamy M. The effect of La-intermetallic compounds on tensile properties of Al – 15%Mg2Si in-situ composite. Procedia Materials Science. 2015. Vol. 11. pp. 55–60.
26. Jin Y., Fang H., Chen R., Wang J. et al. Morphological modification of Mg2Si phase and strengthening mechanism in Mg2Si/Al composites by Eu addition and T6 heat treatment. Journal of Materials Science & Technology. 2023. Vol. 159. pp. 151–162.
27. Yu H.-C., Men Y.-Z., Yang S.-G., Liu H. et al. Morphology evolution of primary Mg2Si in Ca-modified Al – Mg2Si alloy with various contents of Mg/Si. CrystEngComm, 2022. Vol. 24. pp. 107–118.
28. Ghandvar H., Jabbar K. A., Idris M. H., Ahmad N. et al. Influence of barium addition on the formation of primary Mg2Si crystals from Al – Mg – Si melts. Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 11. pp. 448–465.
29. Wang D., Zhang H., Han X., Shao B. et al. The analysis of strontium modification on microstructure and mechanical properties of Al – 25% Mg2Si in situ composite. Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. Vol. 26. pp. 4415–4423.
30. Hadian R., Emamy M., Varahram N., Nemati N. The effect of Li on the tensile properties of cast Al – Mg2Si metal matrix composite. Materials Science and Engineering: A. 2008. Vol. 490, Iss. 1–2. pp. 250–257.
31. Prusov E. S., Deev V. B., Aborkin A. V., Ri E. K., Rakhuba E. M. Structural and morphological characteristics of the friction surfaces of in-situ cast aluminum matrix composites. Journal of Surface Investigation. 2021. Vol. 15, No. 6. pp. 1332–1337.
32. Zhang J., Zhao Y., Xu X., Liu X. Effect of ultrasonic on morphology of primary Mg2Si in in-situ Mg2Si/Al composite. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23, Iss. 10. pp. 2852–2856.
33. Jin Y., Fang H., Chen R., Sun S. et al. Graded distribution and refinement of Mg2Si in Al – Mg2Si alloy prepared by traveling magnetic field. Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 24. pp. 2319–2331.
34. Deev V. B., Prusov E. S., Ri E. Kh. Structural optimization of cast in-situ aluminum matrix composites: challenges and opportunities. Non-ferrous Metals. 2024. No.1. pp. 41–48.
35. Deev V. B., Prusov E. S., Ri E. H. Microstructural modification of in-situ aluminum matrix composites via pulsed electromagnetic processing of crystallizing melt. Non-ferrous Metals. 2023. No. 1. pp. 36–40.
36. Deev V. B., Prusov E. S., Ree E. Kh., Kim E. D. Influence of treatment of melts by nanosecond electromagnetic pulses on the distribution of elements in the structure of cast aluminum matrix composites. Tsvetnye Metally. 2023. No. 7. pp. 66–71.
37. Shaburova N., Krymsky V., Moghaddam A.O. Theory and practice of using pulsed electromagnetic processing of metal melts. Materials. 2022. Vol. 15, Iss. 3. 1235.
38. Deev V. B., Ri E. H., Prusov E.S , Ermakov M. A., Goncharov A. V. Grain refinement of casting aluminum alloys of the Al – Mg – Si system by processing the liquid phase using nanosecond electromagnetic pulses. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2021. Vol. 62, No. 5. pp. 522–530.
39. Bao X., Ma Y., Xing S., Liu Y., Shi W. Effects of pulsed magnetic field melt treatment on grain refinement of Al – Si – Mg – Cu – Ni alloy direct-chill casting billet. Metals. 2022. Vol. 12, Iss. 7. 1080.
40. Krymsky V., Shaburova N. Applying of pulsed electromagnetic processing of melts in laboratory and industrial conditions. Materials. 2018. Vol. 11. 954.