Государственная ключевая лаборатория цифрового текстильного оборудования провинции Хубэй, Уханьский текстильный университет, Ухань, Китай¹ ; Чжэцзян Вэньюань Интеллиджент Текнолоджи Ко., Синчан, Китай² ; Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия³

В. Б. Деев*, профессор^{1, 2}; главный научный сотрудник³, 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 «Технологии функциональных и конструкционных материалов», докт. техн. наук, доцент, эл. почта: 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

Государственная ключевая лаборатория цифрового текстильного оборудования провинции Хубэй, Уханьский текстильный университет, Ухань, Китай
Шунчи Мей, директор1, PhD, профессор, эл. почта: meishunqi@vip.sina.com

*Корреспондирующий автор.

Представлены результаты исследования структуры литых алюмоматричных композиционных материалов, армированных частицами Mg₂Si (15 и 25 % (мас.)) и модифицированных литием (от 0,05 до 0,3 % (мас.)). Методами металлографического анализа и термодинамического моделирования изучено влияние лития на процесс кристаллизации, дисперсность, морфологию и распределение частиц армирующей фазы. Установлено, что добавление лития приводит к значительному уменьшению размеров частиц Mg₂Si. В диапазоне 0,05–0,15 % (мас.) Li доля частиц Mg₂Si на области изображения 1200×970 мкм возрастает незначительно, однако при увеличении содержания модификатора с 0,15 до 0,2 % (мас.) фиксируется почти 4,5-кратный рост их общего числа (с 724 до 3319 шт.). Дальнейшее повышение концентрации лития до 0,3 % (мас.) не приводит к явно выраженному увеличению числа частиц. При содержании лития 0,3 % (мас.) достигается минимальный размер частиц (5,93 мкм для 15 % (мас.) Mg₂Si и 10,2 мкм для 25 % (мас.) Mg₂Si), и наиболее равномерное их распределение (v ≈ 0,41). По данным термодинамического моделирования методом Шейля-Гулливера, литий изменяет последовательность фазовых превращений в системе Al – Mg₂Si, способствуя образованию тройной фазы AlLiSi, предположительно, ингибирующей рост первичных кристаллов Mg₂Si. Полученные результаты могут составить основу для оптимизации технологии синтеза композитов в аспекте целенаправленного воздействия на процессы формирования их структуры, что позволит расширить потенциальные области промышленного применения литых алюмоматричных композитов с армирующими фазами кристаллизационного происхождения.

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

1. Thirumoorthy A., Arjunan T. V., Senthil Kumar K. L. Latest research development in aluminum matrix with particulate reinforcement composites – a review. Materials Today: Proceedings. 2018. Vol. 5, Iss. 1, Part 1. pp. 1657–1665.
2. Prasad S. V., Asthana R. Aluminum metal-matrix composites for automotive applications: Tribological considerations. Tribology Letters. 2004. Vol. 17, Iss. 3. pp. 445–453.
3. Ajay Kumar P., Rohatgi P., Weiss D. 50 Years of foundry-produced metal matrix composites and future opportunities. International Journal of Metalcasting. 2020. Vol. 14, Iss. 2. pp. 291–317.
4. Tjong S., Ma Z. Y. Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites. Materials Science and Engineering R: Reports. 2000. Vol. 29, Iss. 3–4. pp. 49–113.
5. Wang X., Jha A., Brydson R. In situ fabrication of Al3Ti particle reinforced aluminium alloy metal–matrix composites. Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 364, Iss. 1–2. pp. 339–345.
6. Rathod N., Menghani J. A consequence of reinforcements in aluminumbased metal matrix composites: a literature review. Metallurgical and Materials Engineering. 2019. Vol. 25, Iss. 3. pp. 195–208.
7. Pramod S. L., Bakshi S. R., Murty B. S. Aluminum-based cast in situ composites: a review. Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24, Iss. 6. pp. 2185–2207.
8. Pandee P., Sankanit P., Uthaisangsuk V. Structure-mechanical property relationships of in-situ A356/Al3Zr composites. Materials Science and Engineering: A. 2023. Vol. 866. 144673.
9. Seth P. P., Parkash 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, Iss. 61. pp. 37327–37345.
10. Sun Y., Ahlatci H. Mechanical and wear behaviors of Al – 12 Si – XMg composites reinforced with in situ Mg2Si particles. Materials and Design. 2011. Vol. 32, Iss. 5. pp. 2983–2987.
11. Huang Z., Wang K., Zhang Z., Li B. et al. Effects of Mg content on primary Mg2Si phase in hypereutectic Al – Si alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015. Vol. 25, Iss. 10. P. 3197–3203.
12. Biswas P., Mondal M. K., Roy H., Mandal D. Microstructural evolution and hardness property of in situ Al – Mg2Si composites using one-step gravity casting method. Canadian Metallurgical Quarterly. 2017. Vol. 56. pp. 340–348.
13. Prusov E. S., Deev V. B., Vlasov A. V. Selection of components of cast metal matrix composites according to the criterion of specific rigidity. Fundamental problems of modern materials science. 2021. Vol. 18, No. 1. pp. 30-35.
14. Liu Z., Xie M., Liu X. M. Microstructure and properties of in-situ Al – Si – Mg2Si composite prepared by melt superheating. Applied Mechanics and Materials. 2011. Vol. 52. pp. 750–754.
15. Bhandari R., Mallik M., Mondal M. K. Microstructure evolution and mechanical properties of in situ hypereutectic Al – Mg2Si composites. AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2162. pp. 020145.
16. 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.
17. 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.
18. Qin Q. D., Zhao Y. G., Zhou W., Cong P. J. Effect of phosphorus on microstructure and growth manner of primary Mg2Si crystal in Mg2Si/Al composite. Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 447. pp. 186–191.
19. Nordin N. A., Farahany S., Ourdjini A., Abu Bakar T. A., Hamzah E. Refinement of Mg2Si Particulate Reinforced Al – 20% Mg2Si In Situ Composite with Addition of Antimony. Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 663. pp. 271–275.
20. 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.
21. 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.
22. Deev V., Prusov E., Rakhuba E. Physical methods of melt processing at production of aluminum alloys and composites: opportunities and prospects of application. Materials Science Forum. 2019. Vol. 946 MSF. pp. 655–660.
23. Ghandvar H., Idris M. H., Ahmad N., Emamy M. Effect of gadolinium addition on microstructural evolution and solidification characteristics of Al – 15% Mg2Si in-situ composite. Materials Characterization. 2018. Vol. 135. pp. 57–70.
24. Wu X., Zhang G., Wu F. Influence of Bi addition on microstructure and dry sliding wear behaviors of cast Al – Mg2Si metal matrix composite. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23, Iss. 6. pp. 1532–1542.
25. Jin Y., Fang H., Wang S., Chen R. et al. Effects of Eu modification and heat treatment on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al – Mg2Si composites. Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 831. 142227.
26. 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.
27. 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.
28. Liu Z., Xu H.-B., Zhou Z.-P., Xu H.-J. Effect of electromagnetic stirring on morphology evolution of Mg2Si in hypereutectic Al-Si alloy composite. Applied Mechanics and Materials. 2012. Vol. 217–219. pp. 47–50.
29. Vdovin K. N., Dubsky G. A., Deev V. B., Egorova L. G. et al. Influence of a magnetic field on structure formation during the crystallization and physicomechanical properties of aluminum alloys. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2019. Vol. 60. Iss. 3. pp. 247–252.
30. Deev V. B., Selyanin I. F., Kutsenko A. I., Belov N. A. et al. Promising resource saving technology for processing melts during production of cast aluminum alloys. Metallurgist. 2015. Vol. 58, Iss. 11–12. pp. 1123–1127.
31. Deev V., Prusov E., Ponomareva K. Effect of superheat melt treatment on microstructure and mechanical properties of aluminum alloys produced by lost foam casting. Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284 SSP. pp. 593–597.
32. Deev V., Prusov E., Ri E., Prihodko O. et al. Effect of melt overheating on structure and mechanical properties of Al-Mg-Si cast alloy. Metals. 2021. Vol. 11, Iss. 9. 1353.
33. Wang D., Zhang H., Guo C., Wu H. et al. Effect of cooling rate on growth and transformation of primary Mg2Si in Al–Mg2Si in situ composites. Journal of Materials Research. 2018. Vol. 33, Iss. 20. pp. 3458–3465.
34. Deev V. B., Selyanin I. F., Ponomareva K. V., Yudin A. S. et al. Fast coo ling of aluminum alloys in casting with a gasifying core. Steel in Translation. 2014. Vol. 44, Iss. 4. pp. 253–254.
35. 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.
36. Georgatis E., Lekatou A., Karantzalis A.E., Petropoulos H. et al. Development of a cast Al – Mg2Si – Si in situ composite: microstructure, heat treatment, and mechanical properties. Journal of Materials Engineering and Performance. 2013. Vol. 22, Iss. 3. pp. 729–741.
37. Li J., Lu S., Zhao D., Chen L. et al. Preparation of Mg2Si/Al – Cu composite under a novel continuous squeeze casting-extrusion process assisted with ultrasonic treatment. Materials Science and Engineering: A. 2023. Vol. 862. 144469.
38. Mukherjee I., Das P. Microstructure evolution during solidification in a low superheat casting process of the Al – Mg2Si composites having excess Si: A phase field study. Materials Today Communications. 2024. Vol. 40. 109620.
39. Slyudova A. A., Trudonoshin A. I., Prach E. L., Lisovskiy V. A. The Structure of Al – Mg – Si Casting alloys Modified by Lithium and Scandium. Tsvetnye Metally. 2021. No. 11. pp. 65–70.
40. 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.
41. Gonzalez R. C., Woods R. E. Digital Image Processing. 4th ed. New York : Pearson Education, 2018. 1022 p.
42. Chen Q., Sundman B. Computation of partial equilibrium solidification with complete interstitial and negligible substitutional solute back diffusion. Materials Transactions. 2002. Vol. 43, Iss. 3. pp. 551–559.
43. Ghiasinejad J., Emamy M., Ghorbani M. R., Malekan A. Wear behavior of Al – Mg2Si cast in situ composite: effect of Mg2Si different volume fractions. AIP Conference Proceedings. 2010. Vol. 1252. 1012.