Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия

А. А. Ахмадиева, младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии, эл. почта: nas99.9@yandex.ru
В. Д. Мирошкина, младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии, эл. почта: mir.vika28.02@gmail.com
В. Д. Валихов, младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии, эл. почта: valihov.snobls@gmail.com
Я. А. Дубкова, младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии, эл. почта: ya.a.dubkova@yandex.ru

Исследовано влияние количества наночастиц нитрида алюминия на структуру и механические характеристики магниевого сплава МЛ12. Изучение микроструктуры методами оптической и электронной микроскопии показало, что средний размер зерна исходного сплава увеличивается от края к центру отливки
в связи с большей скоростью охлаждения около стенки кокиля и составляет 46 мкм. Введение 0,5 и 1,0 % (мас.) AlN позволяет получить равномерную зеренную структуру со средним размером зерна 46 и 54 мкм соответственно. Термическая обработка не оказывает влияния на средний размер зерна и способствует гомогенизации микроструктуры сплавов магния, содержащих частицы нитрида алюминия, что снижает негативное влияние нерастворенных компонентов лигатуры Mg – AlN. Исследование механических характеристик сплавов при растяжении показало, что для сплава с содержанием 0,1 % (мас.) AlN отмечен наибольший прирост предела прочности (от 151 до 212 МПа) и пластичности (от 6,4 до 19,7 %) относительно исходного сплава. В связи с этим сделан вывод, что измельчение зерна не является доминирующим механизмом увеличения свойств магниевого сплава после термообработки, максимальные значения которых достигаются при минимальном содержании нитрида алюминия в количестве 0,1 % (мас.). Основным механизмом повышения механических характеристик при добавлении наночастиц AlN является дисперсное упрочнение.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Феде рации (Соглашение № 075-15-2025-607 от 01.07.2025).

1. Song G. L., Xu Z. Q. The surface, microstructure and corrosion of magnesium alloy AZ31 sheet. Electrochimica acta. 2010. Vol. 55. pр. 4148–4161.
2. Morozova G. I. Phase composition and corrosion resistance of magnesium alloys. Metal Science and Heat Treatment. 2008. Vol. 50. pр. 100–104.
3. Jayasathyakawin S., Ravichandran M., Baskar N., Anand Chairman C., Balasundaram R. Mechanical properties and applications of magnesium alloy – review. Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 27. pр. 909–913.
4. Penghuai F., Liming P., Haiyan J., Wenjiang D., Chunquan Z. Tensile properties of high strength cast Mg alloys at room temperature: A review. China Foundry. 2014. Vol. 11. pр. 277–286.
5. Ramalingam V. V., Ramasamy P., Kovukkal M. D., Myilsamy G. Research and development in magnesium alloys for industrial and biomedical applications: A review. Metals and Materials International. 2020. Vol. 26. рp. 409–430.
6. Reinor G. V. The physical metallurgy of magnesium and its alloys. Moscow : Metallurgiya, 1964. 477 p.
7. Li P., Hou D., Han E.H., Chen R., Shan Z. Solidification of Mg – Zn – Zr alloys: Grain growth restriction, dendrite coherency and grain size. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2020. Vol. 33. рp. 1477–1486.
8. Qian M., Das A. Grain refinement of magnesium alloys by zirconium: Formation of equiaxed grains. Scripta Materialia. 2006. Vol. 54. рp. 881–886.
9. Xing F., Guo F., Su J., Zhao X., Cai H. The existing forms of Zr in Mg – Zn – Zr magnesium alloys and its grain refinement mechanism. Materials Research Express. 2021. Vol. 8. 066516.
10. Song C., Han Q., Zhai Q. Review of grain refinement methods for as-cast microstructure of magnesium alloy. China Foundry. 2009. Vol. 6. pр. 93–103.
11. Yang W., Liu L., Zhang J., Ji S., Fan Z. Heterogeneous nucleation in Mg – Zr alloy under die casting condition. Materials Letters. 2015. Vol. 160. pр. 263–267.
12. Koltygin A. V., Bazhenov V. E., Letyagin N. V., Belov V. D. The influence of composition and heat treatment on the phase composition and mechanical properties of ML19 magnesium alloy. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018. Vol. 59. pр. 32–41.
13. Wang S., Zhao Y., Guo H., Lan F., Hou H. Mechanical and thermal conductivity properties of enhanced phases in Mg – Zn – Zr system from first principles. Materials. 2018. Vol. 11. 2010.

14. Koltygin A. V., Bazhenov V. E. Influence of the chemical composition and heat treatment modes on the phase composition and mechanical properties of the ZK51A (ML12) alloy. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018. Vol. 59. pр. 190–199.
15. Morozova G. I., Tikhonova V. V., Lashko N. F. Phase composition and mechanical properties of cast Mg – Zn – Zr alloys. Metal Science and Heat Treatment. 1978. Vol. 20. pр. 657–660.
16. Morozova G. I., Mukhina I. Y. Nanostructural hardening of cast magnesium alloys of the Mg – Zn – Zr system. Metal Science and Heat Treatment. 2011. Vol. 53. 3.
17. Mukhina I. Yu. Structure and properties of new casting magnesium alloys. Liteynoe proizvodstvo. 2011. No. 12. pp. 12–14.
18. Vorozhtsov S. A., Khrustalyov А. P., Eskin D. G., Кulkov S. N., Alba-Baena N. The physical-mechanical and electrical properties of cast aluminum-based alloys reinforced with diamond nanoparticles. Russian Physics Journal. 2015. Vol. 57. pр. 1485–1490.
19. Zheng H. R., Li Z., You C., Liu D. B., Chen M. F. Effects of MgO modified β-TCP nanoparticles on the microstructure and properties of β-TCP/Mg – Zn – Zr composites. Bioactive materials. 2017. Vol. 2. pр. 1–9.
20. Wong W. L., Gupta M. Effect of hybrid length scales (micro+ nano) of SiC reinforcement on the properties of magnesium. Solid State Phenomena. 2006. Vol. 111. рp. 91–94.
21. Hassan S. F., Gupta M. Creation of high-performance Mg based composite containing nano-size Al2O3 particulates as reinforcement. Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials. 2005. Vol. 23. pр. 151–154.
22. Zhang B., Yang C., Zhao D., Sun Y., Wang X., Liu F. Microstructure characteristics and enhanced tensile properties of in-situ AlN/AZ91 composites prepared by liquid nitriding method. Materials Science and Engineering A. 2018. Vol. 725. pр. 207–214.
23. Fu H. M., Zhang M. X., Qiu D., Kelly P. M., Taylor J. A. Grain refinement by AlN particles in Mg – Al based alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 478. рp. 809–812.
24. Cao G., Choi H., Oportus J., Konishi H., Li X. Study on tensile properties and microstructure of cast AZ91D/AlN nanocomposites. Materials Science and Engineering A. 2008. Vol. 494. рp. 127–131.
25. Berkmortel R., Wang G. G., Bakke P. Fluxless in-house recycling of high purity magnesium die cast alloys at Meridian operations. Vancouver BC, Canada. 2000. рp. 22–27.
26. Liu P., Geng H. R., Wang Z. Q., Zhu J. R., Pan F. S., Dong X. B. Effect of AlN on microstructure and mechanical properties of Mg – Al – Zn alloy. Materials Science Forum. 2011. Vol. 704–705. pр. 1095–1099.
27. Wahab M. N., Daud A. R., Ghazali M. J. Preparation and characterization of stir cast-aluminum nitride reinforced aluminum metal matrix composites. International Journal of Mechanical and Materials Engineering. 2009. Vol. 4. pр. 115–117.
28. Vinayagam M., Ravichandran M. Influence of AlN particles on microstructure, mechanical and tribological behaviour in AA6351 aluminum alloy. Materials Research Express. 2019. Vol. 6. 106557.
29. Khrustalyov A., Zhukov I., Nikitin P., Kolarik V., Klein F., Akhmadieva A., Vorozhtsov A. Study of Influence of aluminum nitride nanoparticles on the structure, phase composition and mechanical properties of AZ91 alloy. Metals. 2022. Vol. 12. 277.
30. Huang S. J., Abbas A. Effects of tungsten disulfide on microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy manufactured by stir casting. Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 817. 153321.
31. Hassan S. F., Gupta M. Enhancing physical and mechanical properties of Mg using nanosized Al2O3 particulates as reinforcement. Metallurgical and Materials Transactions A. 2005. Vol. 36. pр. 2253–2258.
32. Sajuri Z. B., Miyashita Y., Hosokai Y., Mutoh Y. Effects of Mn content and texture on fatigue properties of as-cast and extruded AZ61 magnesium alloys. International Journal of Mechanical Sciences. 2006. Vol. 48. рp. 198–209.
33. Pan F., Yang M., Chen X. A review on casting magnesium alloys: modification of commercial alloys and development of new alloys. Journal of Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32. рp. 1211–1221.
34. Kakhidze N. I., Khrustalev A. P., Akhmadieva A. A., Zhukov I. A., Vorozhtsov A. B. Influence of tungsten nanoparticles on the structure and mechanical behavior of AA5056 under quasi-static loading. Light Metals. 2022. pр. 97–103.
35. Khrustalyov A., Kakhidze N., Platov V., Zhukov I., Vorozhtsov A. Influence of tungsten nanoparticles on microstructure and mechanical properties of an Al – 5 % Mg alloy produced by casting. Metals. 2022. Vol. 12. 989.
36. Khrustalyov A. P., Akhmadieva A., Monogenov A.N., Zhukov I. A., Marchenko E. S., Vorozhtsov A. B. Study of the effect of diamond nanoparticles on the structure and mechanical properties of the medical Mg – Ca – Zn magnesium alloy. Metals. 2022. Vol. 12. 206.
37. Lerner M., Vorozhtsov A., Guseinov S., Storozhenko P. Metal Nanopowders: production characterization, and energetic applications. Wiley-VCH : Weinheim, Germany. 2014. рp. 79–106.
38. Orlov D., Pelliccia D., Fang X., Bourgeois L., Kirby N., Nikulin A. Y., Ameyama K., Estrin Y. Particle evolution in Mg – Zn – Zr alloy processed by integrated extrusion and equal channel angular pressing: Evaluation by electron microscopy and synchrotron small-angle X-ray scattering. Acta Materialia. 2014. Vol. 72. pр. 110–124.
39. Liu S., Yang W., Shi X., Li B., Duan S., Guo H., Guo J. Influence of laser process parameters on the densification, microstructure, and mechanical properties of a selective laser melted AZ61 magnesium alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 808. 151160.
40. Wang B. J., Xu D. K., Sun J., Han E. H. Effect of grain structure on the stress corrosion cracking (SCC) behavior of an as-extruded Mg – Zn – Zr alloy. Corrosion Science. 2019. Vol. 157. рp. 347–356.