Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Владимир, Россия)1 ; Московский политехнический университет (Москва, Россия)2 ; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (Москва, Россия)3
В. Б. Деев, главный научный сотрудник1, заведующий кафедрой «Оборудование и технологии сварочного производства»2, профессор кафедры «Обработка металлов давлением»3, докт. техн. наук, профессор, deev.vb@mail.ru
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Владимир, Россия)1 ; Московский политехнический университет (Москва, Россия)2
Е. С. Прусов, профессор кафедры «Материаловедения и энергетического машиностроения»1, профессор кафедры «Оборудование и технологии сварочного производства»2, докт. техн. наук, доцент, eprusov@mail.ru
Тихоокеанский государственный университет (Хабаровск, Россия)
Э. Х. Ри, руководитель Высшей школы промышленной инженерии Политехнического института, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: erikri999@mail.ru
Рассмотрены современные представления о механизмах влияния наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ) на процессы формирования структуры литейных сплавов и эндогенно-армированных металломатричных композитов. Обобщены литературные данные, свидетельствующие о возможности изменения ближнего порядка, интенсификации массопереноса, повышения растворимости легирующих элементов и изменения условий зародышеобразования под действием импульсных электрических и электромагнитных полей. На основе положений теории зарождения и роста кристаллов показано, что модифицирующий эффект НЭМИ может быть связан с изменением термодинамических условий кристаллизации, в частности с уменьшением эффективного энергетического барьера образования зародышей, увеличением плотности центров кристаллизации, активацией гетерогенного зародышеобразования и ограничением роста кристаллов. Приведены экспериментальные данные, характеризующие влияние НЭМИ (15 кВ, 40 кВ) в сочетании с модифицированием литием (0,3 % (мас.)) на структуру алюмоматричных композиционных материалов системы Al – Mg2Si (15, 20 и 25 % (мас.)). Показано, что обработка кристаллизующихся расплавов НЭМИ в сочетании с химическим модифицированием способствует измельчению эндогенных армирующих частиц Mg2Si и изменению их морфологии на более компактную. Комбинированная обработка расплавов НЭМИ открывает перспективы создания новых материалов с улучшенными физико-механическими свойствами за счет целе направленного управления процессами кристаллизации и структурообразования.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 20-19-00687-П, https://rscf.ru/project/23-19-45019/ .
1. Dantzig J. A., Rappaz M. Solidification. Lausanne: EPFL Press, 2009. – 621 p.
2. Li R. X., Zhou X., Wei R. X., Li L. Application of physical refinement methods in metal solidification process. Special Casting and Nonferrous Alloys. 2024. Vol. 44, Iss. 12. P. 1635–1649.
3. Selyanin I. F., Deev V. B., Belov N. A., Prikhodko O. G., Ponomareva K. V. Physical modifying effects and their influence on the crystallization of casting alloys. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2015. Vol. 56, Iss. 4. P. 434–436.
4. Li Q. L., Xia T. D., Lan Y. F., Li P. F. Effects of melt superheat treatment on microstructure and wear behaviours of hypereutectic Al – 20Si alloy // Materials Science and Technology. 2014. Vol. 30, Iss. 7. P. 835–841.
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, Iss. 7-8. P. 405–410.
6. Vorozhtsov S., Kudryashova O., Promakhov V., Dammer V., Vorozhtsov A. Theoretical and experimental investigations of the process of vibration treatment of liquid metals containing nanoparticles // JOM. 2016. Vol. 68, Iss. 12. P. 3094–3100.
7 Eskin D. G. Ultrasonic processing of molten and solidifying aluminium alloys: overview and outlook // Materials Science and Technology. 2017. Vol. 33, Iss. 6. P. 636–645.
8. Nikitin K. V., Nikitin V. I., Timoshkin I. Y., Glushchenkov V. A., Chernikov D. G. Melt treatment by pulsed magnetic fields aimed at controlling the structure and properties of industrial silumins // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2016. Vol. 57, Iss. 3. P. 202–210.
9. Znamenskii L. G., Ivochkina O. V., Kulakov B. A. Electroimpulsive nanotechnology for preparing an aluminum-refractory-metal master alloy // Metallurgist. 2005. Vol. 49, Iss. 1–2. P. 72–76.
10. 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. No. 2. P. 16–24.
11. Deev V. B., Prusov E. S., Ri E. H. Physical methods of processing the melts of metal matrix composites: current state and prospects // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2022. Vol. 63, Iss. 3. P. 292–304.
12. Deev V., Ri E., Prusov E. Mechanism of influence of nanosecond electromagnetic pulses on crystallization behavior of aluminum alloys // METAL 2018 — 27th International Conference on Metallurgy and Materials: Conference Proceedings. 2018. P. 1363–1368.
13. Ri E. Kh., Ri H., Ermakov M. A., Knyazev G. A., Dzhou B. L., Ri V. E. Solidification of low-silicon iron under the action of nanosecond electromagnetic pulses // Steel in Translation. 2013. Vol. 43, Iss. 8. P. 471–473.
14. Popel P., Dahlborg U., Calvo-Dahlborg M. On the existence of metastable microheterogeneities in metallic melts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 192. 012012.
15. Khalouk K., Mayoufi M., Gasser J. G. Are there phase transitions in liquid metallic alloys? // Philosophical Magazine. 2010. Vol. 90, Iss. 20. P. 2695–2709.
16. He Y., Li J., Wang J., Beaugnon E. Liquid–liquid structure transition in metallic melt and its impact on solidification: a review // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2020. Vol. 30, Iss. 9. P. 2293–2310.
17. Wang J., Qi J., Zhao Z., Guo H., Zhao T. Effects of electric pulse modification on liquid structure of Al – 5%Cu alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23, Iss. 9. P. 2792–2796.
18. Timoshkin I. Y., Nikitin K. V., Nikitin V. I., Deev V. B. Influence of treatment of melts by electromagnetic acoustic fields on the structure and properties of alloys of the Al–Si system // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2016. Vol. 57, Iss. 5. P. 419–423.
19. Guo J., Wang F., Zhang S., Zhou Y., Zhu L. Effect of highfrequency electric pulse on the solidification microstructure and properties of hypoeutectic Al-Si alloy // Materials. 2024. Vol. 17, Iss. 2. 468.
20. 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.
21. Yang Y. S., Zhou Q., Hu Z. Q. The influence of electric current pulses on the microstructure of magnesium alloy AZ91D // Materials Science Forum. 2005. Vol. 488–489. P. 201–204.
22. Jiang H., Zhao J., Wang C., Liu X. Effect of electric current pulses on solidification of immiscible alloys // Materials Letters. 2014. Vol. 132. P. 66–69.
23. Schenk T., Holland-Moritz D., Simonet V., Bellissent R., Herlach D. M. Icosahedral short-range order in deeply undercooled metallic melts // Physical Review Letters. 2002. Vol. 89. 075507.
24. Barrat J.-L., Hansen J.-P. Basic Concepts for Simple and Complex Liquids. – Cambridge : Cambridge University Press, 2003. – 308 p.
25. Гаврилин И. В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. – Владимир : ВлГУ, 2000. – 260 с.
26. Бродова И. Г., Попель П. С., Барбин Н. М., Ватолин Н. А. Расплавы как основа формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов. – Екатеринбург : УрО РАН, 2005. – 369 с.
27. Kelton K. F., Greer A. L. Nucleation in condensed matter: applications in materials and biology. – Amsterdam : Elsevier, 2010. – 743 p.
28. Wang J., Xue Q., Chang G., Tang Y., Wang J., Cang D. Effects of electric pulse on microstructure of Al-Si alloy in liquid and solid states // Journal of University of Science and Technology Beijing. 2004. Vol. 11, No. 2. P. 123–126.
29. Qi J., Wang J., He L., Zhao Z., Du H. An investigation for structure transformation in electric pulse modified liquid aluminum // Physica B: Condensed Matter. 2011. Vol. 406, Iss. 4. P. 846–849.
30. 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. P. 1295–1300.
31. Wang B., Yang Y., Zhou J., Tong W. Microstructure refinement of an AZ91D alloy solidified with pulsed magnetic field // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2008. Vol. 18. P. 536–540.
32. Eckert S., Nikrityuk P., Räbiger D., Eckert K., Gerbeth G. Efficient melt stirring using pulse sequences of a rotating magnetic field: Part I. Flow field in a liquid metal column // Metallurgical and Materials Transactions B. 2007. Vol. 38. P. 977–988.
33. Choi J.-K., Ohtsuka H., Xu Y., Choo W.-Y. Effects of a strong magnetic field on the phase stability of plain carbon steels // Scripta Materialia. 2000. Vol. 43. P. 221–226.
34. Zhao Z., Liu Y., Liu L. Grain refinement induced by a pulsed magnetic field and synchronous solidification // Materials and Manufacturing Processes. 2011. Vol. 26, Iss. 9. P. 1202–1206.
35. Чалмерс Б. Теория затвердевания. – М. : Металлургия, 1968. – 288 с.
36. Деев В. Б., Прусов Е. С., Ри Э. Х., Ким Е. Д. Влияние обработки расплавов наносекундными электромагнитными импульсами на распределение элементов в структуре литых алюмоматричных композитов // Цветные металлы. 2023. № 7. С. 64–69.
37. Prusov E., Shabaldin I., Deev V. Quantitative characterization of the microstructure of in situ aluminum matrix composites // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2131, Iss. 4. 042040.