XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Таблица 3 – Механические свойства различных категорий деформируемых и литейных сплавов магния

Серия магниевых сплавов	Плотность (г см–3)	Прочность на растяжение (МПа)	Предел текучести (МПа)	Удлинение (%)	Твердость по Виккерсу (HV)
AZ91	1,81	240	165	3	70
АМ60	1,80	220	130	8	65
AS41	1,77	215	140	6	55
АЕ44	1,82	245	142	10	62
AJ62	1,8	235	140	10	62
ЗМ21	1,8	200	124	9	55
АЗ80	1,8	330	230	12	70

Основные категории медных сплавов следующие:

Серия C1xxx (Cu) представляет собой коммерчески доступную чистую медь, которая в основном используется в электрических компонентах;

Серия C2xxx (Cu–Zn) – высокопрочные материалы, применяемые в автомобильной и оборонной промышленности;

Сплавы серии C3xxx (Cu–Zn–Pb) хороши для холодной обработки и используются в электрических компонентах;

Сплавы серии С4ххх (Cu–Zn–Sn) обладают хорошими коррозионно-стойкими свойствами;

Сплавы серии С5ххх (Cu–Sn) обладают высокой усталостной прочностью и используются для изготовления пружин;

Сплавы серии С6ххх (Cu–Al) применяются в автомобильной и судостроительной промышленности; и

Сплавы серии C7xxx (Cu–Ni) используются в высокотемпературных приложениях.

Никель и сплавы

Никель всегда был важным металлом для широкого круга отраслей, вероятно, потому, что это очень гибкий металл, который сплавляется почти со всеми другими металлами. Никель имеет структуру FCC и является хорошим пластичным металлом. Никелевые сплавы выдерживают повышенные напряжения и температуры, что позволяет использовать их в чрезвычайно высокопроизводительных приложениях, таких как лопатки реактивных двигателей. Никель и его сплавы обладают отличной коррозионной стойкостью, высокой плотностью, отличными магнитными и электронными свойствами. Последовательность сплавов никель-хром и никель-хром-железо привела к повышению прочности и использованию в высокотемпературных приложениях (Томпсон, 2000 г.).

Титан и сплавы

Титан представляет собой материал с низкой плотностью (приблизительно 60% плотности стали и суперсплавов), который можно значительно упрочнить путем легирования и деформационной обработки. Титан имеет две кристаллические структуры. Чистый титан при комнатной температуре представляет собой HCP, известный как «альфа» (α) титан. При 883°C альфа-фаза превращается в объемно-центрированную кубическую (ОЦК) фазу, известную как «бета» (β) титан. Альфа-сплавы содержат такие элементы, как алюминий и олово, которые стабилизируют структуру. Альфа-титановые сплавы обладают лучшими свойствами ползучести, чем бета-сплавы, и предпочтительны для высокотемпературных применений. Обработка старением приводит к осаждению альфа, образуя матрицу как α, так и β фаз. Бета-сплавы содержат такие ингредиенты, как ванадий, ниобий и молибден, которые снижают температуру, необходимую для фазового перехода β. тем самым способствуя образованию β. Эти сплавы обладают отличной ковкостью в широком диапазоне температур ковки. Замечательная коррозионная стойкость и биосовместимость в сочетании с хорошей прочностью делают титан и его сплавы полезными в нефтехимии, морской среде и биоматериалах. Чистый титан нетоксичен; коммерчески чистый титан и некоторые титановые сплавы вообще биологически совместимы с тканями и костями человека (Бач, 2003 г.).

Железо и сплавы

Железо можно легко найти в земной коре, но чистое железо не столь полезный материал, поскольку оно легко ржавеет. Он также имеет такую ​​высокую температуру плавления, что отливка не может легко придать ему форму. Чугун является наиболее часто используемым металлом, на его долю приходится 95% производства металла во всем мире. Невысокая цена и высокая прочность делают его незаменимым в машиностроении, машиностроении, автомобилестроении, корпусах больших кораблей и элементах строительных конструкций. Марганец, медь, алюминий, титан, магний, хром, молибден являются основными легирующими компонентами в железе. Добавление в железо ванадия и циркония улучшает его механические характеристики (Мбуя и др., 2003 г.).

Армирующие элементы

Армированный материал, обладающий хорошей адгезией и усиливающий матричный материал, называется армированием. Арматура может быть очень твердой и прочной, но при этом очень легкой. Отношения прочности к массе и жесткости к массе в несколько раз выше, чем у матричных материалов. Армирование может представлять собой непрерывные или прерывистые волокна и частицы. Это армирование также используется для улучшения физических характеристик матричного материала, таких как износостойкость, коррозионная стойкость, жесткость, модуль Юнга, теплопроводность или сопротивление и прочность (Динахаран и др., 2011 г.).

Армирование, повышающее ударную вязкость матрицы, должно быть прочнее и жестче, чем матрица, способная влиять на механизм разрушения в пользу композита. Обычным содержанием керамических частиц, используемых в качестве традиционных армирующих материалов, являются карбид кремния (SiC), карбид бора (B4C), оксид алюминия (Al2O3) и карбид титана (TiC). Таблица 1показывает различные свойства керамического армирования.

Факторами, которые необходимо учитывать при выборе арматуры, являются совместимость с матричным материалом, термическая стабильность, плотность, температура плавления, конечное применение и т. д. (Гангил и др., 2017 г.). Совместимость, плотность, химическая и термическая стабильность арматуры с матричным материалом имеет важное значение для производства материала и его конечного использования. Разница в термическом коэффициенте между матрицей и армированием является важным параметром композита, используемым при термоциклировании (Редди и др., 2011 г.). Это функция разницы между коэффициентами теплового расширения матрицы и арматуры, которая усиливает дислокации в композите. Выбранный метод изготовления и армирование влияют на кристаллическую структуру изготовленных ММК.

Таблица1–Свойства различной керамической арматуры

Добавки/наполнители, армирующие элементы

Керамические материалы представляют собой неорганические и неметаллические материалы. Керамические материалы могут быть кристаллическими или кристаллическими до определенной степени. Глина была одним из старейших керамических материалов, использовавшихся для гончарного дела, но в настоящее время многие различные керамические материалы используются в промышленных и строительных товарах.Лю и др., 2013 г.). По составу керамика делится на оксиды, карбиды, нитриды и бориды (Дас и др., 2010 г.). Усовершенствованная керамика разрабатывается и производится для использования в электрических компонентах, бронежилетах и ​​в высокотемпературных приложениях. Керамические материалы имеют тенденцию быть прочными, хрупкими, жесткими, химически инертными и непроводящими тепло и электричество. Но их характеристики сильно различаются (Xiu et al., 2012; Mondolfo, 2013; Avedesian and Baker, 1999; Davis, 2001). Материалы, используемые для армирования в MMC, обычно представляют собой керамику, поскольку они обладают жесткостью, твердостью и сравнительно низкой плотностью в желаемой форме. Потенциальный армирующий материал включает SiC (Шороворди и др., 2003 г.), Al2O3 (Шороворди и др., 2003 г.), B4C (Шороворди и др., 2003 г.), TiC (Лиджай и др., 2016 г.), TiB2 (Раджан и др., 2013 г.), графит (Могадам и др., 2015 г.) и др. Морфология и размер армированных частиц также определяют механические свойства армирования при изготовлении ММК. Армирование предназначено для придания большей жесткости и прочности матричному сплаву (Shorowordi et al., 2003; Lijay et al., 2016; Shirvanimoghaddam et al., 2016a).

Керамические частицы

карбиды кремния

Карбид кремния (SiC) представляет собой твердый ковалентно связанный материал. Соединение SiC состоит из атома кремния (Si) и четырех атомов углерода (C), которые ковалентно связаны между собой. Карбид кремния (SiC) представляет собой неоксидный керамический конструкционный материал, вызвавший значительный интерес. Частицы SiC обладают относительно низким тепловым расширением, высокой теплопроводностью, высокой твердостью и устойчивостью к истиранию и коррозии. Частица SiC сохраняет свое упругое сопротивление даже до температуры 1650°C, что обуславливает ее широкое применение в промышленности при повышенных температурах. Когда эти частицы SiC внедряются в MMC, это, безусловно, улучшает общую прочность композита, а также коррозионную стойкость и износостойкость. СЭМ-микрофотография типичных частиц карбида кремния показана на рис.Рис. 1(а)(Динахаран, 2016 г.).

Оксид алюминия

Оксид алюминия (Al2O3) называется глиноземом. Глинозем представляет собой белую порошкообразную поваренную соль. Он имеет высокую температуру плавления выше 2050°C и химически стабилен. Обычный глинозем производится из бокситов по процессу Байера (изобретен Байером). Когда бокситовая руда растворяется в растворе гидроксида натрия, боксит превращается в алюминат натрия, а примеси, удаляемые в виде шлака, известны как красный шлам. Частицы Al2O3 отделяют при 1100°C в процессе гидролиза от частиц алюмината натрия. СЭМ-микрофотография частиц оксида алюминия показана на рис.Рис. 1(б). Глинозем позволяет использовать его для широкого спектра применений благодаря его высокой твердости, способности работать при повышенных температурах и сильной электрической изоляции (Dinaharan, 2016; Su et al., 2012).

Рисунок 1–Микрофотография FESEM керамических частиц: (а) SiC, (б) Al2O3, (в) B4C и (г) TiC. Воспроизведено из Dinaharan, I., 2016. Влияние типа керамических частиц на микроструктуру и прочность на разрыв алюминиевых матричных композитов AA6082, полученных с использованием обработки трением с перемешиванием. Журнал азиатских керамических обществ 4, 209–218.

Карбид бора

Карбид бора (B4C) представляет собой высокоэффективную керамическую частицу, обладающую низкой плотностью, большой степенью химической инертности, термической стабильностью при повышенных температурах и выдающимися термоэлектрическими характеристиками (Калайсельван и др., 2014 г.). Дополнительная твердость карбида бора дает ему прозвище «черный алмаз». Керамические частицы B4C производятся путем карботермического восстановления оксида бора (B2O3) и углерода в электродуговой печи. Морфология типичных частиц B4C изображена на микрофотографии СЭМ, показанной на рис.Рис. 1(в)(Динахаран, 2016 г.). Частицы B4C обладают выдающимися физико-механическими свойствами, такими как высокая температура плавления и твердость, хорошая стойкость к истиранию, высокая ударная вязкость, отличная химическая стойкость и высокая способность поглощать нейтроны (Сури и др., 2010 г.).

Карбид титана

Карбид титана (TiC) имеет высокую температуру плавления (3160°C) и является чрезвычайно сложным керамическим материалом. Типичная СЭМ-микрофотография частиц карбида титана показана на рис.Рис. 1(г)(Динахаран, 2016 г.). Частицы TiC синтезируются с использованием процесса карботермического восстановления порошка диоксида титана (TiO2) и углерода в электродуговой печи. Карбид титана в основном используется в производстве износостойких инструментов, инструментов для нарезки, подшипников из абразивной стали, износостойких инструментов, улучшения проводимости и в качестве зародышеобразователя (Парашивамурти и др., 2001 г.).

Карбид вольфрама

Карбид вольфрама часто называют твердым металлом из-за его высокой твердости по сравнению с другими керамическими порошками. Карбид вольфрама имеет высокую температуру плавления 2870°C. Карбид вольфрама синтезируется путем химической реакции между металлическим вольфрамом и углеродом при 1850–2000°С. СЭМ-микрофотография порошка карбида вольфрама показана на рис.Рис. 2. Карбид вольфрама (WC) является очень востребованным материалом благодаря своим привлекательным механическим, физическим и химическим свойствам, таким как высокая твердость, высокая температура плавления, хорошая электро- и теплопроводность и высокая коррозионная стойкость (Лю и др., 2016 г.).

Нитридные частицы

Нитрид алюминия (AlN) и нитрид бора (BN) имеют широкий спектр промышленного применения и являются лучшими материалами для использования там, где требуется высокая теплопроводность. AlN и BN (Квашнин и др., 2019 г.) являются идеальным материалом для теплоотвода. AlN представляет собой синтетическую керамическую частицу с уникальным сочетанием полезных тепловых и электрических свойств (Кумар и Муруган, 2012 г.). Композиты Al–SiC и Al–AlNp широко используются в устройствах микроэлектроники. Хотя теплопроводность AlN (175 Вт·м–1·K–1) меньше, чем у SiC (250 Вт·м–1·K–1), AlN химически более устойчив, чем SiC. Алюминий не реагирует с AlN (Кумар и Муруган, 2012 г.), тогда как в композитах Al–SiC фаза Al4C3 образуется в результате реакций Al с SiC и ухудшает механические свойства композита Al–SiC (Пей и др., 2015 г.). AlN обладает хорошей совместимостью с алюминиевыми сплавами, отличными теплофизическими свойствами, хорошей межфазной адгезией без какой-либо межфазной реакции (Кумар и Муруган, 2012 г.), высокая удельная прочность и жесткость, высокая теплопроводность, высокое удельное электрическое сопротивление, низкая диэлектрическая проницаемость и регулируемый коэффициент теплового расширения. Таким образом, композит Al-AlNp является идеальным кандидатом на изготовление электронных упаковочных материалов (Кумар и Муруган, 2012 г.).

Рис. 2Морфология использованных частиц WC. Воспроизведено из Liu, J., Yang, S., Xia, W., Jiang, X., Gui, C., 2016. Характеристики микроструктуры и износостойкости наплавочных покрытий на основе сплава Cu–Ni–Mn, армированных частицами WC. Журнал сплавов и соединений, 654, 63–70.

Нанокерамические порошки

Керамические нанокомпозиты все шире используются при разработке новых технологий обработки, которые позволяют изготавливать продукты на уровне от лабораторных исследований до коммерческого уровня. Наночастицы могут быть получены с использованием высокоэнергетического процесса шаровой мельницы. Массовое производство наночастиц может быть произведено с использованием процесса механического измельчения, а также является экономичным (Диндарсафа и др., 2017 г.). Кинетическая энергия, возникающая в процессе измельчения, передается порошку от шара во время процесса измельчения (Диндарсафа и др., 2017 г.). Передача кинетической энергии зависит от многих факторов, таких как тип мельницы, порошок, используемый при измельчении, скорость, размер шаров, сухое или мокрое измельчение, температура измельчения и продолжительность измельчения. Эти наночастицы, армированные в ММС, повышают предел текучести и микротвердость изготовленных композитов. Дальнейшее уменьшение размера зерна может способствовать снижению предела текучести.

Джалилванд и др. (2019)изготовили наноразмерные порошки α-Al2O3 и SiO2 в качестве армирующих материалов для производства гибридного композита A356/Al2O3 + SiO2. Морфология и рентгенограмма наноразмерных частиц Al2O3 и SiO2 показаны на рис.Рис. 3. Исследование микроструктуры подтвердило, что армирующие порошки равномерно распределены в матрице. Авторы подтвердили, что добавление наноразмерных материалов Al2O3 и SiO2 увеличивает микротвердость гибридного поверхностного композита примерно на 40%.

В своей исследовательской работе, Раджаби и Газали (2017) синтезировали наночастицы путем обработки микронных частиц Al2O3 и SiO2 с использованием высокоэнергетической шаровой мельницы до частиц наноразмера. Авторские частицы Al2O3 и SiO2 после 1, 5, 10, 15, 20 и 25 ч измельчения в планетарной шаровой мельнице Fritsch Pulverisette-6 с фиксированной частотой вращения 300 об/мин. Частицы, измельченные в шаровой мельнице, анализировали с использованием анализатора размера частиц, а распределение измеряли с помощью Malvern (Zetasizer Nano zs). Микрофотографии FESEM морфологического поведения измельченных порошков TiC через 1 ч (а), 5 ч (б), 10 ч (в), 15 ч (г), 20 ч (д) и 25 ч (е). фрезерование показано вРис. 4.

Частицы промышленных отходов

Композиты с металлической матрицей (MMC) обладают целым рядом преимуществ по сравнению с монолитными сплавами, включая высокую прочность, модуль упругости, жесткость, сопротивление ползучести, пониженную плотность и низкое отношение прочности к весу, что делает их эффективными конструкционными материалами. Но за последние несколько десятилетий их высокая стоимость производства ограничивала использование ГМК (Vencl et al., 2010; Ravindran et al., 2013; Kumar et al., 2017). Тем не менее, экономически эффективные и промышленные остаточные частицы, такие как летучая зола, зола рисовой шелухи, зола бамбука, зола скорлупы кокосовых орехов и т. д., были разработаны для расширения областей применения MMC (Селвам и др., 2013 г.).

Частицы летучей золы

Золы-уноса, являющиеся побочными продуктами отходов, образуются при сжигании угля на тепловых электростанциях и представляют серьезную экологическую проблему в связи с их переработкой и утилизацией. Большинство негорючих углеродных фракций состоят из глинистых минералов, которые реагируют и всплывают во время горения при температуре пламени, образуя большую и разнообразную смесь сильных (осадителей) или пустотные (ценосферные) сферические объекты плотностью 1,6–2,3 и 0,4–0,6 г см–3 одновременно. Химический состав летучей золы типа C и типа F показан наТаблица 4. Тип C используется в дополнение к цементу из-за его повышенной концентрации CaO. Тип F больше подходит для производства MMC (Чжан и др., 2009 г.).Динахаран и др. (2016)изготовлены алюминиевые композиты AA6061, армированные летучей золой, с использованием обработки трением с перемешиванием (FSP). СЭМ-микрофотография, изображающая морфологию летучей золы ценосфер, показана на рис.3

Рисунок 3– Морфология и рентгенограмма наноразмерного Al2O3 (а, б) и наноразмерного SiO2 (в, г). Воспроизведено из Jalilvand, MM, Mazaheri, Y., Heidarpour, A., Roknian, M., 2019. Разработка поверхностного гибридного нанокомпозита A356/Al2O3+SiO2 путем обработки трением с перемешиванием. Технология поверхностей и покрытий, 360, 121–132.

Рисунок 4–Микрофотографии FE-SEM морфологического поведения измельченных порошков TiC через (a) 1 ч, (b) 5 ч, (c) 10 ч, (d) 15 ч, (e) 20 ч и (f) 25 ч. ч фрезерование. Воспроизведено из Rajabi, A., Ghazali, MJ, 2017. Количественный анализ нанопорошков TiC методом механического сплавления. Ceramics International 43 (16), 14233–14243.

Таблица 4–Химический состав различных видов летучей золы.

Запись: Воспроизведено из Escalera-Lozano, R., Gutiérrez, CA, Pech-Canul, MA, Pech-Canul, MI, 2007. Коррозионные характеристики гибридных композитов Al/SiCp/MgAl2O4, изготовленных из летучей золы и переработанного алюминия. Характеристика материалов 58 (10), 953–960.

Усиленные частицы летучей золы уменьшают размер зерна во время FSP. Введение частиц летучей золы в алюминиевую матрицу AA6061 повысило микротвердость и износостойкость изготовленного композита.(рис.5)

Эскалера-Лозано и др. (2007)гибридные композиты Al/SiCp/шпинель, изготовленные из SiCp, летучей золы ценосферного типа (FA) и переработанного алюминия жидкофазным способом. Ценосфера показана наРис. 6. Образование Mg-шпинели контролировалось присутствием ценосферной летучей золы. Образование Mg2Si является критическим параметром для предотвращения агрессивной локальной коррозии.

Частицы золы рисовой шелухи

Измельчение риса дает побочный продукт, известный как шелуха. Рисовая шелуха — это сельскохозяйственные отходы, которые составляют 20 % ежегодно производимого в мире зерна. Сброс золы рисовой шелухи загрязняет почву и ее окрестности. Если шелуху сжигать при температуре ниже 800°С при контролируемой температуре, преимущественно в аморфной форме может образоваться зола с кремнеземом. Химический состав золы рисовой шелухи приведен в Таблице 5.

Рисунок 5–Микрофотография FESEM частиц летучей золы при увеличении: (а) в 2000 раз и (б) в 5000 раз. Воспроизведено из Dinaharan, I., Nelson, R., Vijay, SJ, Akinlabi, ET, 2016. Микроструктура и характеристики износа композитов с алюминиевой матрицей, армированных частицами зольной пыли промышленных отходов, синтезированных путем обработки трением с перемешиванием. Характеристика материалов 118, 149–158.

Рисунок 6–Микрофотография СЭМ, показывающая типичную морфологию ценосферной летучей золы. Воспроизведено из Escalera-Lozano, R., Gutiérrez, CA, Pech-Canul, MA, Pech-Canul, MI, 2007. Коррозионные характеристики гибридных композитов Al/SiCp/MgAl2O4, изготовленных из летучей золы и переработанного алюминия. Характеристика материалов 58 (10), 953–960.

Таблица 5–Химический состав золы рисовой шелухи

SiO2	Аl2О3	С	СаO	MgO	К2О	Fe2О3	LOI*
90,23	3,54	1,23	1,58	0,53	0,39	0,21	2,29

Запись: Воспроизведено из Dinaharan, I., Kalaiselvan, K., Akinlabi, ET, Davim, JP, 2017. Микроструктура и характеристики износа композитов с медной матрицей, армированных рисовой шелухой, полученных с использованием обработки трением с перемешиванием. Журнал сплавов и соединений 718, 150–160.

Зольная шелуха (RHA) экономически выгоднее, чем другие армирующие материалы, такие как SiC, Al2O3, B4C и TiC (Гладстон и др., 2015 г.).Динахаран и др. (2017)изготовленный матричный композит из чистой меди, армированный золой рисовой шелухи, с использованием FSP. СЭМ-микрофотография, изображающая морфологию золы рисовой шелухи, показана на рис.Рис. 6. Добавление золы рисовой шелухи к медной матрице повысило микротвердость и трибологические свойства композита с медной матрицей (Рис. 7).

Частицы пепла листьев

Бамбуковый лист представляет собой отходы, которые составляют 6% отходов в мире, образующихся каждый год. Использование золы листьев бамбука в качестве упрочняющего материала при производстве композитов с металлической матрицей экономически целесообразно. В лаборатории путем выдерживания листьев бамбука в электропечи при температуре прокаливания 600°С в течение 2 ч была получена зола листьев бамбука. Зола была измельчена после прокаливания и просеяна (Бахрами и др., 2016 г.). Химический состав золы листьев бамбука приведен вТаблица 6.Кумар и Бирру (2017)использовали золу листьев бамбука в качестве армирующего материала для изготовления композита Al-4,5% Cu с использованием печи для литья с перемешиванием. СЭМ-микрофотография, изображающая морфологию золы листьев бамбука, показана на рис.Рис. 8. Изготовленный композит Al–4,5% Cu демонстрирует более высокую твердость и прочность на растяжение после армирования золой листьев бамбука.

Частицы золы кокосовой скорлупы

Кокосовая скорлупа, считающаяся агроломом, присутствует в огромных количествах в тропических регионах Индии и по всему миру. Разработка композитов с металлической матрицей с использованием золы скорлупы кокосовых орехов в качестве армирующего ингредиента является экономически целесообразным вариантом снижения загрязнения воздуха, затрат на хранение и утилизацию. В лабораторных условиях путем выдерживания скорлупы кокосового ореха в электропечи при температуре прокаливания 850°С в течение 3 ч была получена зола скорлупы кокосового ореха (Бахрами и др., 2016 г.).Таблица 7показан химический состав золы скорлупы кокосового ореха.Субраманиам и др. (2018)использовали золу скорлупы кокосового ореха и порошок B4C в качестве армирующих материалов для изготовления алюминиевого композита AA7075 с использованием печи для литья с перемешиванием. Микрофотография SEM, изображающая морфологию золы скорлупы кокосового ореха, показана на рис.Рис. 9. Композит демонстрирует на 33% более высокую твердость и на 66% более высокую прочность на растяжение по сравнению с алюминиевым матричным сплавом AA7075.

Остальное

Циркон используется в керамике, специализированном литье и различной огнеупорности из-за его повышенной жаропрочности и сопротивления истиранию.Дас и др. (2006)изготовленный цирконовый песок/композит Al–4,5 мас.% с использованием печи для литья с перемешиванием. Авторы использовали частицы цирконового песка разного размера в расплаве для изготовления композита, как показано на рис.Рис. 10. Авторы пришли к выводу, что за счет добавления в матрицу циркониевого песка повысилась абразивная износостойкость композита цирконовый песок/Al–4,5 мас.%. Красный шлам является значительным нерастворимым остаточным материалом, образующимся в процессе Байера при производстве глинозема из боксита. Наличие значительных оксидов, таких как Al2O3, TiO2, Fe2O3, и Na2O в красном песке, низкая стоимость и легкая доступность сделали его важным армирующим материалом для производства ММС (Шарма и др., 2018 г.).В Таблице 8 приводится химический состав красного шлама.

Рисунок 7–СЭМ-микрофотография частиц RHA при увеличении: (а) 2000x и (b) 5000x. Воспроизведено из Dinaharan, I., Kalaiselvan, K., Akinlabi, ET, Davim, JP, 2017. Микроструктура и характеристики износа композитов с медной матрицей, армированных рисовой шелухой, полученных с использованием обработки трением с перемешиванием. Журнал сплавов и соединений 718, 150–160.

Таблица 6–Химический состав золы листьев бамбука

SiO2	СаО	К2О	С	Аl2О3	MgO	Fe2О3
75,9	6,68	5,62	4.2	4.13	1,85	1,32

Рисунок 8–СЭМ-изображение синтезированной золы листьев бамбука (а) и рентгенограмма (б). Воспроизведено из Kumar, BP, Birru, AK, 2017. Микроструктура и механические свойства алюминиевых матричных композитов с добавлением золы листьев бамбука методом литья с перемешиванием. Труды Общества цветных металлов Китая 27 (12), 2555–2572.

Таблица7 – Химический состав золы скорлупы кокосового ореха

SiO2	Ал2О3	Fe2О3	MgO	На2О	СаО	ZnO	MnO
45,36	21,82	18.58	12.32	0,73	0,67	0,32	0,2

Рисунок 9–СЭМ-морфология порошка летучей золы из скорлупы кокосового ореха. Воспроизведено из Subramaniam, B., Natarajan, B., Kaliyaperumal, B., Chelladurai, SJS, 2018. Исследование механических свойств алюминия 7075, карбида бора и летучей золы кокосового ореха, армированного гибридной металлической матрицей. China Foundry 15 (6), 449–456.

Интерметаллиды

В последние годы материаловеды и металлурги обращают больше внимания на растущую потребность в новых материалах с особыми свойствами и приложениями. Некоторые интерметаллические соединения, такие как алюминиды титана и никеля, которые имеют большую прочность, пониженная плотность, более высокая прочность на растрескивание и более высокий модуль упругости, чем у стандартных сплавов, вызывают серьезную озабоченность при обработке и характеристиках. Интерметаллические материалы, богатые алюминием, такие как Al3Ti, Al3Zr, Al3Fe, Al3Ni, Al2Cu и Al3C4, используются для армирования AMC, поскольку они имеют низкую плотность и термический коэффициент расширения, высокий модуль и температуру плавления, а также высокую способность к переработке (Динахаран, 2018 г.).

Рисунок 10–Сканирующие электронные микрофотографии частиц циркона среднего размера (а) 15 мкм, (б) 65 мкм, (в) 90 мкм и (г) 135 мкм. Воспроизведено из Das, S., Udhayabanu, V., Das, S., Das, K., 2006. Синтез и характеристика циркониевого песка/Al-4,5 мас.% Cu композита, полученного методом литья с перемешиванием. Журнал материаловедения 41 (14), 4668–4677.

Таблица 8– Химический состав красного шлама

Аl2О3	Fe2О3	SiO2	TiO2	На2О	СаО	ПН*
17–19	35–36	7–9	14–16	5–6	3–5	10–12

Запись: Воспроизведено из Шарма, А., Белокар, Р.М., Кумар, С., 2018. Характеристика сухого скольжения алюминиевого композита, армированного красным шламом. Журнал Бразильского общества механических наук и инженерии 40 (6), 294.

Одним из важнейших инженерных материалов современности является алюминиевый композит, армированный частицами (AMC). Производство АМК можно разделить на жидкую и твердую металлургию. Путь жидкой металлургии является простым и экономичным по сравнению с путем твердой металлургии. Жидкая металлургия требует либо введения частиц армирования непосредственно в жидкий металл, либо их синтеза в расплаве. Первый считается обработкой ex-situ, а второй называется обработкой in-situ. Преимущества производства на месте включают армирующие материалы мелкого размера, высокую прочность межфазного соединения, равномерное распределение частиц, термодинамически стабильные частицы и снижение затрат на обработку (Ван и др., 2010 г.). Интерметаллические компоненты могут быть легко синтезированы экзотермическими реакциями в расплавленном алюминии (Динахаран, 2018 г.).

частицы Al₃Ti

По сравнению с большинством других алюминиевых продуктов, богатых интерметаллидами, Al3Ti представляет собой очень интересное армирование из-за его более высокой температуры плавления (~1623 К) и относительно низкой плотности (3,4 г/см3). Методика эксперимента заключается в расплавлении алюминия в печи и добавлении K2TiF6 при той же температуре в течение 30 минут (Динахаран, 2018 г.). Химические реакции, в результате которых образуется Al3Ti с использованием алюминия и K2TiF6 представлены в уравнении соответственно.

(1)

Рис. 11. четко указывает на наличие чешуйчатых частиц Al3Ti. Это очевидно изРис. 8чем больше армирующие частицы, тем сильнее их способность образовывать зародыши алюминиевых зерен, что приводит к тому, что более мелкие частицы выталкиваются за пределы границ алюминиевых зерен во время процесса затвердевания. Эта отличительная микроструктура подчеркивается, когда LiBF4 и MgF2 использовались для модификации морфологии армирующих частиц (Ван и др., 2004 г.).

частицы Al₃Zr

Из-за его низкой плотности, повышенной температуры плавления и конкурентоспособного модуля упругости (205 ГПа) в сочетании с его стойкостью к окислению и коррозии Al3Zr считается перспективным кандидатом для упрочнения АМС. Добавление Zr способствует росту фазы Al3Zr при плавлении алюминиевого сплава. Из-за их высоких температур плавления по сравнению с алюминиевой матрицей эти частицы однородны и термически стабильны (Динахаран, 2018 г.).Ли и др., (2011)проанализировали габитус и морфологию первичных кристаллов Al3Zr, образующихся при затвердевании сплава Al–1,36 мас.% Zr. Сплав Al–1,36 мас. % Zr был приготовлен путем плавления алюминия высокой чистоты (99,999 мас. %) и циркония (99,999 мас. %) в индукционной печи. После магнитного перемешивания и выдержки при 1100°С в течение 30 мин его дополнительно перемешивают механическим способом для гомогенизации состава сплава. Автор проанализировал литой образец для изучения микроструктуры, и на микрофотографии показаны два типичных продольных среза первичных кристаллов Al3Zr и одно поперечное сечение, как показано на рис.Рис. 12 (а–в), который имеет идеальную ориентацию относительно плоскостей наблюдения микроструктуры. Видно, что кристалл Al3Zr имеет таблитчатый габитус. Установлено, что форма продольного разреза зависит от размера.

Частицы Al₂Cu

Динахаран и др. (2019)использовали печь для литья с перемешиванием для приготовления AMC AA2024/Al2Cu. В качестве армирующего материала к расплавленному алюминию добавляли отмеренные количества частиц меди (Cu) для инициирования реакции с использованием печи для литья с перемешиванием. Микроструктуры АМС Al/(0–15 мас.%) Al2Cu выявляются на оптических и РЭМ-микрофотографиях вРис. 13. Литой композит был обработан на пластины размером 50×50×100 мм3. Армирование частиц Al2Cu повысило микротвердость и прочность на растяжение после вторичной обработки трением с перемешиванием (FSP).

Частицы Mg2Si/Al

Цинь и др. (2006)использовали электрическую печь сопротивления для изготовления слитков композита Mg2Si/Al. Для изготовления композита Mg2Si/Al использовали коммерчески доступную лигатуру Al–20 мас.% Si (слиток) и чистый магний (слиток, чистота >98,0%). Температуру печи поддерживали на уровне 680–700°С, выдерживали 15 мин и заливали в стальную форму. Образец подвергали механической обработке для изучения микроструктуры. Металлографические образцы были отполированы по стандартным процедурам и исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), чтобы увидеть особенности микроструктуры протравленных образцов. Глубоко протравленная микроструктура литого образца показана на рис.Рис. 14. Mg2Si, образованный на месте, повысил микротвердость и прочность на растяжение готовых композитов.

Рисунок 11–СЭМ-изображение: (а) хлопьевидной фазы Al3Ti, (б) укрупненных частиц Al3Ti в присутствии LiBF4 и MgF2. Воспроизведено из Wang, X., Jha, A., Brydson, R., 2004. Изготовление на месте композитов металл-матрица из алюминиевого сплава, армированного частицами Al3Ti. Материаловедение и инженерия: A 364 (1–2), 339–345.

Рисунок 12–СЭМ-изображения, показывающие продольные срезы первичных кристаллов Al3Zr восьмиугольной (а) и прямоугольной (б) формы, а также (в) одно поперечное сечение таблитчатого первичного кристалла Al3Zr. Воспроизведено из Wang, X., Jha, A., Brydson, R., 2004. Изготовление на месте композитов металл-матрица из алюминиевого сплава, армированного частицами Al3Ti. Материаловедение и инженерия: A 364 (1–2), 339–345.

Рисунок 13–СЭМ-изображения, показывающие первичные и вторичные частицы Al2Cu в алюминиевой матрице при: (а) 10% масс. и (б) 15% масс. Воспроизведено из Dinaharan, I., Balakrishnan, M., Selvam, JDR, Akinlabi, ET, 2019. Микроструктурные характеристики и поведение на растяжение обработанных трением с перемешиванием композитов с литыми алюминиевыми матрицами AA6061/Al2Cu. Журнал сплавов и соединений 781, 270–279.

Остальные

Al3Fe считается перспективным кандидатом для армирования AMC из-за его низкой плотности (4 г см–3), высокой температуры плавления (1420 K) и хорошей прочности на растяжение (190 ГПа) в сочетании с его устойчивостью к окислению и коррозии. AMC Al/Al3Fe изготавливаются на месте по той же технологии, что и AMC Al/Al3Ti. Компонент Fe в форме порошка используется для взаимодействия с расплавленным алюминием для синтеза фазы Al3Fe в расплавленном алюминии. Следующее уравнение показывает химическую реакцию образования фазы Al3Fe (Динахаран, 2018 г.).

(2)

Рисунок 14–Изображения SEM при: (а) меньшем увеличении и (б) большем увеличении частицы Mg2Si в алюминиевой матрице. Воспроизведено из Qin, QD, Zhao, YG, Cong, PJ, Liang, YH, Zhou, W., 2006. Функционально градиентный композит Mg2Si/Al, полученный в процессе электродугового переплава. Журнал сплавов и соединений 420 (1–2), 121–125.

Интерметаллид Al3Ni может быть использован в качестве армирования в АМК благодаря высокому модулю Юнга (116–152 ГПа) и высокой прочности на растяжение (2160 МПа). Порошок элемента Ni или пористый элемент используется для реакции с расплавленным алюминием для синтеза Al3Ni. Следующее уравнение показывает химическую реакцию образования фазы Al3Fe (Динахаран, 2018 г.).

(3)

Металлические частицы

Как правило, при изготовлении АМК в качестве армирующих материалов чаще всего выбирают различные виды керамических частиц, в том числе оксиды, бориды, карбиды, нитриды и т. д. Хотя прочность АМС увеличивается с добавлением керамических частиц, полученные АМС сильно теряют пластичность при растяжении и вязкость разрушения. Альтернативным способом повышения пластичности AMC является их армирование металлическими частицами, такими как Ni, Ti, W, Mo, нержавеющая сталь и т. д. (Ю и др., 2019 г.).

Хуанг и др. (2018)использовали алюминиевые пластины 5083 и сферический порошок титана со средним размером 23 мкм в качестве армирующих материалов для изготовления алюминиевого композита по технологии FSP. Инструмент FSP, использованный в этом исследовании, был изготовлен из матричного материала WC-13 мас.% Co с буртиком диаметром 18 мм и цилиндрическим штифтом без резьбы диаметром 5 мм и длиной 4 мм. При подаче и уравновешивании проточной воды по одному и тому же маршруту проводилась многопроходность. Распределение частиц, характеристики границы раздела Ti/Al были определены с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и показаны на рис.Рис. 15. Как видно из микрофотографии, частицы Ti внутри матрицы были гомогенными и не демонстрировали кластеризации частиц. Причем не было исходной сферической частицы, а были какие-то неправильные частицы выпускались с уменьшенными размерами. Во время обработки трением с перемешиванием 5083 Al (SFSP) непрерывная динамическая рекристаллизация (CDRX) в значительной степени отвечала за измельчение зерна. Измельчение зерна повышает прочность, а плотность дислокаций снижается.

Рисунок 15–Морфология частиц титана. Воспроизведено из Huang, G., Wu, J., Hou, W., Shen, Y., 2018. Микроструктура, механические свойства и механизм упрочнения алюминиевых матричных композитов, армированных титановыми частицами, полученных путем обработки трением с перемешиванием под флюсом.

Материаловедение и инженерия: A 734, 353–363.

Сельвакумар и др. (2017)использовали FSP для изготовления частиц молибдена (Рис. 16) усиленные АМС Al6082. Для исследования использовали катаные пластины из алюминиевого сплава Al6082 размером 50×100×10 мм. Листы были обработаны вдоль направления длины в центре с помощью проволочной электроэрозионной обработки для получения канавки для упаковки частиц молибдена. Длину и глубину канавки поддерживали постоянными значениями 100 и 5,5 мм для всех исследований. Ширина канавки варьировалась в три этапа (0,4, 0,8 и 1,2 мм), поэтому объемная доля армирования будет иметь четыре уровня (0, 6, 12 и 18 об.%). Для исследования использовались частицы Мо, имеющие сферическую форму. Используемые параметры процесса: скорость вращения инструмента 1600 об/мин, скорость перемещения 60 мм и один проход. Механически обработанные образцы для определения микроструктуры были отполированы с использованием обычных металлографических процедур и протравлены. Микрофотографии FESEM композита, обработанного FSP, показали, что частицы Mo распределены по всей матрице, что свидетельствует об успешной разработке композита. Распределение частиц Мо можно считать относительно однородным.

Хуанг и др. (2016)использовали FSP для изготовления AMC Al1060, армированного частицами вольфрама (W). Коммерчески доступный чистый алюминиевый сплав 1060-H14 разрезали на прямоугольные листы размером 120×60×5 мм. В этом исследовании использовался коммерчески доступный порошок вольфрама (W) (чистота 99,9% и средний размер частиц 1–5 мм). Процесс FSP осуществлялся на фрезерно-фрезерном станке с числовым программным управлением.

На рис.17. показаны микрофотографии FESEM порошка вольфрама. Многопроходная FSP уменьшает размер кластеров W и облегчает распределение частиц W, что приводит к большей пластической деформации и тщательному смешиванию, связанному с накопленной пластической деформацией и продолжающимся тепловым воздействием. Прочность и пластичность композита FSP повышались по мере увеличения числа проходов FSP. Повышение предела прочности и пластичности композита ФСП достигается после 5 проходов и составляет примерно 126 МПа и 24,73 % соответственно.

Рисунок 16–Микрофотографии FESEM частиц Мо при увеличении: (а) 500× и (б) 2000×. Воспроизведеноиз Selvakumar, S., Dinaharan, I., Palanivel, R., Babu, BG, 2017. Характеристика алюминиевых матричных композитов Al6082, армированных частицами молибдена, с улучшенной пластичностью, полученных с использованием обработки трением с перемешиванием. Характеристика материалов 125, 13–22.

Рисунок 17–СЭМ-микрофотография вольфрамового порошка. Воспроизведено из Huang, G., Shen, Y., Guo, R., Guan, W., 2016. Изготовление композитов с алюминиевой матрицей, армированных вольфрамовыми частицами, с использованием многопроходной обработки трением с перемешиванием: оценка микроструктурного, механического и электрического поведения. Материаловедение и инженерия: A 674, 504–513.

Твердые частицы смазки

Твердые смазочные материалы необходимы для смазывания в экстремальных условиях, когда трибологические контактные опорные поверхности по-прежнему нуждаются в эффективном разделении. Трение приводит к потере большого количества механической энергии, а износ является существенной причиной выхода из строя деталей машин. Твердая смазка часто описывается как любой твердый материал, который снижает трение и/или износ контактных поверхностей при относительном движении. В очень тяжелых условиях, таких как повышенная температура, большая нагрузка, сверхнизкая температура, сверхвысокий вакуум, сильное окисление, экстремальное излучение и т. д., может применяться твердая смазка. Графит и дисульфид молибдена обычно используются в качестве твердых смазочных материалов. Помимо этих двух твердых смазочных материалов, другие металлы, используемые в качестве собственных смазочных материалов, представляют собой галогениды и сульфиды металлов (Фурлан и др., 2018 г.).

Партибан и др. (2015)изготовленный алюминиевый сплав 6061, армированный 10 мас.% композита TiB2 и гибридного композита Al6061–10TiB2–1Gr и Al6061–10TiB2–2Gr с использованием метода порошковой металлургии (P/M). Al и армирующий компонент полученного порошка TiB2 имеют размер частиц 30–50 и 1–10 мкм, а размер частиц графита варьируется от 25 до 50 мкм. Графитовый порошок, использованный для изготовления АМС, показан на рис.Рис. 18(а). Микротвердость полученного композита Al6061–10TiB2–2Gr увеличивается в дополнение к процентному увеличению массы нано-Gr. При добавлении TiB2 и нано-Gr наблюдалось улучшение прочности на растяжение и относительного удлинения. Но пластичность гибридного композита оказалась несколько ниже, чем у сплава Al6061.

Латиф и Шериф (2012)использовали алюминиевый порошок с чистотой 99,0% и частицы расслоенного графита нанопластинки (xGnp) для изготовления AMC с использованием метода порошковой металлургии. Порошок Al и полученные частицы xGnp имели размер частиц 20 и 7,5 мкм. xGnps показаны наРис. 18(б). Алюминиевый порошок и частицы xGnp смешивали в диспергаторе при скорости 2000 об/мин в течение 60 мин до получения гомогенной смеси. Затем смесь прессуют в сыром виде при давлении 500 МПа в течение 5 мин для получения образца в форме диска и спекают при различных температурах. Прочность на сжатие и твердость различных алюминиевых сплавов увеличились. С увеличением количества частиц xGnP и высокими температурами спекания. Установлено, что этот эффект снижает относительную плотность сплавов Al–xGnP в результате усадки в процессе спекания.

Рисунок 18–СЭМ-микрофотография: (а) графитового порошка, (б) графитовых нанопластинок и (в) графитовых волокон с титановым покрытием. Воспроизведено из (a) Партибан, К.А., Раджендран, М., Веттивель, С.К., Суреш, С., Мурти, НСВ, 2015 г. Анализ механического поведения и отказов с использованием онлайн-акустической эмиссии гибридного композита Al6061–10TiB2, армированного нанографитом, с использованием порошка. металлургия. Материаловедение и инженерия: A 632, 1–13; (б) Латиф Ф.Х., Шериф Э.С.М., 2012. Влияние температуры спекания и добавления графита на механические свойства алюминия. Журнал промышленной и технической химии 18 (6), 2129–2134; (c) Zhang, HM, He, XB, Qu, XH, Liu, Q., Shen, XY, 2013. Микроструктура и тепловые свойства композитов с медной матрицей, армированных графитовыми волокнами с титановым покрытием. Редкие металлы 32 (1), 75–80.

Чжан и др. (2013)использовали размолотую форму мезофазных графитовых волокон на основе пека. Графитовый порошок покрыт титаном методом химического осаждения из паровой фазы, как показано на рис.Рис. 18(с). Графитовый порошок с покрытием из меди и титана смешивали, прессовали и спекали. Титановое покрытие вступало в реакцию с графитом и в процессе спекания образовывало непрерывный и однородный слой TiC. Этот слой TiC обеспечивает хорошую металлургическую связь между волокном и медной матрицей, что повышает теплопроводность и эффективно снижает КТР композитов (рис. 19 и 20).

Сентил Кумар и др. (2016)приготовил композит олово-медь, содержащий MoS2, для оценки трибологических свойств методом порошковой металлургии. Частицы MoS2 добавляли к медной матрице в различных массовых процентах (0, 5 и 10 мас.%). Изготовленный композит был охарактеризован на трибологические свойства с помощью машины типа «штифт на диске». Экструдированные композиты показали более низкий коэффициент трения (COF) по сравнению со спеченным композитом. Это связано с армированием частиц MoS2 в качестве твердого армирования медного композита, что снижает коэффициент трения.

Чи и др. (2015)композиты (TiB2 + h-BN)/2024Al, изготовленные методом инфильтрации под давлением. Изготовленный композит был протестирован с использованием тестера износа типа «штифт на диске» при комнатной температуре. Добавление частиц h-BN и TiB2 равномерно диспергировало в Матрицу 2024Al.

Рисунок 19–СЭМ-микрофотографии частиц MoS2. Воспроизведеноиз Senthil Kumar, P., Manisekar, K., Vettivel, SC, 2016. Влияние экструзии на микроструктуру и трибологическое поведение композитов медь-олово, содержащих MoS2. Труды по трибологии 59 (6), 1016–1030.

Рисунок 20–СЭМ-изображение частиц h-BN. Воспроизведено из Chi, H., Jiang, L., Chen, G. et al., 2015. Сухое трение скольжения и износостойкость композитов (TiB2+ h-BN)/2024Al. Материалы и дизайн 87, 960–968.

Добавление частиц h-BN к композиту 2024Al действует как смазка, значительно улучшая трибологические свойства при более низких скоростях скольжения и условиях нагрузки. Это связано с наличием частиц H3BO3 и h-BN в изготовленном композите.

Углеродистые материалы

Углерод, вероятно, самый удивительный компонент человечества. За последние несколько лет углеродсодержащие наноматериалы, включая углеродные нанотрубки (УНТ) и графен, стали важным классом армирующих нанонаполнителей в полимерах, металлах и керамике благодаря их выдающимся механическим характеристикам, хорошей самосмазываемости и низкой плотности. Настраивая углеродную структуру, можно получить невероятное количество различных структур различной длины. Обширные исследования привели к синтезу различных типов продуктов на основе углерода, включая графен, углеродное волокно, фуллерены и нанотрубки (Dinaharan et al., 2017; Bahrami et al., 2016; Kumar and Birru, 2017; Subramaniam et al. ., 2018; Дас и др., 2006). Разнообразная морфология различных продуктов на основе углерода,

Углеродные нанотрубки

Благодаря значительному повышенному модулю упругости, механической прочности и исключительной электро- и теплопроводности углеродсодержащие наноматериалы, включая графен и углеродные нанотрубки (УНТ), в последние годы стали важным классом новых материалов для проектирования конструкций. УНТ считаются наиболее эффективными армирующими добавками для производства композиционных материалов в сочетании с их высоким аспектным отношением. Введение таких армирующих элементов в металлические матрицы значительно повышает твердость, предел прочности, модуль упругости и другие механические свойства. Некоторые другие характеристики, такие как теплопроводность (TC), коэффициент теплового расширения (CTE), коэффициент трения, износостойкость, коррозионная стойкость и сопротивление усталости, также могут быть адаптированы к требованиям MMC. Существует несколько типов нанотрубок;Рис. 21. ОУНТ представляют собой полые длинные цилиндры, состоящие из одного атомного листа атомов углерода в гексагональной или сотовой кристаллической структуре. ДУНТ представляют собой синтетическую комбинацию одностенных и многослойных нанотрубок, демонстрирующую средние характеристики обеих форм. DWCNT могут образовывать четыре различные возможные комбинации: электронный тип, внутренняя и внешняя мембраны, металлические или полупроводниковые, материал (неясно). МУНТ имеют удлиненную форму и состоят из полых трубчатых нанообъектов из углерода sp2. Диаметр МУНТ составляет 3–30 нм, длина может составлять несколько сантиметров, но их соотношение сторон может варьироваться от 10 до 10 миллионов. Толщина стенки МУНТ относительно непрерывна вдоль оси, что делает внутреннюю трубку прямой (Могадам и др., 2015 г.).

Графен

Лю и др. (2013)использовали УНТ для изготовления композитов 2009Al, армированных углеродными нанотрубками (УНТ) с содержанием углеродных нанотрубок (УНТ) 1,5–4,5 об.%, методом FSP и последующей обработкой прокаткой. Морфология используемых УНТ имеет внешний диаметр 10–20 нм для изготовления алюминиевого композита, как показано на рис.Рис. 22. FSP плюс последующая горячая прокатка эффективно использовались для получения 1,5–4,5 об. композитов УНТ/2009Al с равномерно диспергированными и пространственно ориентированными УНТ. Интерфейсы УНТ-Al были хорошо прикреплены, сохраняя трубчатую морфологию УНТ. Значения YS и UTS прокатанного FSP УНТ/2009Al были значительно выше, чем у матричного сплава. Композиты, прокатанные FSP, с пространственно ориентированными УНТ показали гораздо более высокие значения прочности, пластичности и модуля по сравнению с композитами FSP со случайно распределенными УНТ.

Исави и др. (2010)использовали УНТ для изготовления различных весовых процентов (0, 1, 2 и 5 мас.%) алюминиевого композита, армированного УНТ, методом порошковой металлургии. Морфология используемых УНТ имеет внешний диаметр 30–50 нм и длину 10–20 мкм.

Рисунок 21–Схема одно-, двух- и многослойных УНТ. Воспроизведено из Moghadam, AD, Omrani, E., Menezes, PL, Rohatgi, PK, 2015. Механические и трибологические свойства самосмазывающихся нанокомпозитов с металлической матрицей, армированных углеродными нанотрубками (CNT) и графеном — обзор. Композиты, часть B: Engineering 77, 402–420.

Риссунок 22–Морфология однослойных УНТ. Воспроизведено из Liu, ZY, Xiao, BL, Wang, WG, Ma, ZY, 2013. Высокоэффективные композиты с алюминиевой матрицей и направленно ориентированными углеродными нанотрубками, сочетающие обработку трением с перемешиванием и последующую прокатку. Углерод 62, 35–42.

Механические свойства изготовленного алюминиевого композита улучшены на 50% по прочности на растяжение и на 23% по жесткости по сравнению с чистым алюминием.

Шарма и др. (2019)изготовленный алюминиевый композит AA6061 путем армирования графеновых нанопластинок (GNP) с использованием метода многопроходной обработки трением с перемешиванием (MPFSP). В качестве армирования использовали ЗНП из 3–10 слоев размером 5–10 нм с поперечным размером 5 мкм, как показано на рис.Рис. 24. EBSD и оптическая микроскопия выявили более высокую степень измельчения зерна и увеличение ширины зоны обработки. Исследование СЭМ показало, что частицы ЗНЧ равномерно распределены в матрице Al. Исследование на растяжение показывает увеличение UTS на ~28 % и увеличение поверхностной нанотвердости на ~84 % в композите, изготовленном методом MPFSP.

Другие элементы

Другими армирующими частицами, используемыми для изготовления MMC, являются порошок высокоэнтропийного сплава CoCrFeNi, частицы гидроксиапатита, стеклянные порошки, нанопроволоки или усы и т. д. Эти частицы, армированные в MMC, были изготовлены с использованием различных методов, которые подробно описаны в различных литературных источниках. .Ни и др. (2014)Изготовлен из алюминиевого композита AA6061–T65, армированного NiTip, производства FSP. Порошок NiTip, выбранный для FSP, имеет диапазон размеров 0–178 и 2–74 мкм, как показано на рис.Рис. 25. Композиты, изготовленные FSP, показывают более низкую прочность на растяжение и более высокое удлинение, чем у AA6061–T651 в состоянии поставки, но прочность увеличилась после обработки старением без обнаружения каких-либо межфазных продуктов.

Рисунок 23–Морфология МУНТ: 30–50 нм в диаметре и 10–20 мкм в длину. Воспроизведено из Esawi, AMK, Morsi, K., Sayed, A., Taher, M., Lanka, S., 2010. Влияние содержания углеродных нанотрубок (CNT) на механические свойства алюминиевых композитов, армированных CNT. Наука и технологии композитов 70 (16), 2237–2241.

Рисунок 24–Морфология графеновых нанопластинок (а) SEM, (b) и (c) TEM морфология графеновых нанопластинок. Воспроизведеноиз Sharma, A., Sharma, VM, Sahoo, B., Pal, SK, Paul, J., 2019. Влияние стратегии заполнения множественных армирующих микроканалов на нанокомпозит Al6061-графен, изготовленный путем обработки трением с перемешиванием. Журнал производственных процессов 37, 53–70.

Рисунок 25–Морфология NiTiпчастица с памятью формы размером 150–178 мкм (а) и 2–74 мкм (б). Воспроизведено из Ni, DR, Wang, JJ, Zhou, ZN, Ma, ZY, 2014. Изготовление и механические свойства объемных композитов NiTip/Al, полученных путем обработки трением с перемешиванием. Журнал сплавов и соединений 586, 368–374.

Картик и др. (2017)изготовленный алюминиевый композит с использованием матрицы AA5083, армированной частицами высокоэнтропийного сплава CoCrFeNi, успешно путем фрикционного осаждения в несколько слоев. Частицы высокоэнтропийного сплава CoCrFeNi показаны на рис.Рис. 26. Частицы высокоэнтропийного сплава были измельчены в шаровой мельнице в течение 15 ч и нанесены на матрицу AA5683 с использованием аппарата для сварки трением с перемешиванием при нагрузке 200 кН с использованием расходуемого стержня AA5083 из того же материала, что и подложка. Изготовленный композит показал более высокую прочность на растяжение и сжатие, чем матричный сплав AA5083.

Рисунок 26–СЭМ-микрофотографии порошка высокоэнтропийного сплава CoCrFeNi: (а) сыпучий порошок, обработанный ультразвуком, (б) смонтированный и металлографически отполированный порошок. На вставке (а) показано распределение частиц по размерам (на основе лазерного анализа размера частиц). Стрелки на (b) показывают некоторые частицы порошка, состоящие из слабосвязанных субчастиц. Воспроизведено из Karthik, GM, Panikar, S., Ram, GJ, Kottada, RS, 2017. Аддитивное производство композита с алюминиевой матрицей, армированного нанокристаллическими частицами высокоэнтропийного сплава. Материаловедение и инженерия: A 679, 193–203.

Ханра и др. (2010)в своей работе изготовленные частицы гидроксиапатита (ГАП) армировали композит Mg-ГАП и ZM61-ГАП с помощью жидкой металлургии. Морфология порошка ГАП показана наРис. 27. После процесса затвердевания слитки подвергали гомогенизирующей обработке в течение 12 ч при 400°С и прессовали при температуре 320°С. Присутствие частиц ГАП в композите уменьшало размер зерна в процессе экструзии. Значения прочности на разрыв и твердости были выше у композита ZM61-HAP, чем у композита Mg-HAP.

Он и др. (2019)изготовленные композиты с алюминиевой матрицей, армированные частицами металлического стекла Zr48Cu36Ag8Al8 с использованием метода порошковой металлургии. Алюминиевый порошок со средним размером 13 мкм и частицы металлического стекла Zr48Cu36Ag8Al8 (ат.%) со средним размером 35, 54 и 75 мкм были выбраны для изготовления алюминиевого композита, как показано на рис.Рис. 28. Пределы текучести композитов при сжатии и растяжении не чувствительны к изменению соотношения размеров частиц, тогда как предел прочности при растяжении и пластичность значительно снижаются с уменьшением соотношения размеров частиц. Такое поведение сопровождается сменой режима разрушения.

Донг и др. (2015)использовали нанопроволоку из карбида кремния (SiCnw) в качестве армирования для изготовления AA6061/SiCnw посредством процесса инфильтрации под давлением. SiCnw, использованный для армирования, был цилиндрического типа с гладкой поверхностью и формой бамбука, как показано на рис.Рис. 29. Автор успешно изготовил алюминиевый композит и исследовал его с помощью СЭМ и ПЭМ, которые подтвердили наличие SiCnw, состоящего из большого количества мелких фрагментов, образованных гибридными структурами 3C-SiC и 2H-SiC.

Танг и др. (2015) фабричный Al2O3 с покрытием18Б4О33матричные композиты AA2024 усилены усами методом литья под давлением.

Рис. 30. показывает морфологию поверхности ABOW без покрытия и с покрытием Al2O3, полученного при различных гидротермальных температурах.

Рисунок 27–СЭМ-изображение порошка гидроксиапатита. Воспроизведено из Khanra, AK, Jung, HC, Hong, KS, Shin, KS, 2010. Сравнительное исследование свойств экструдированных композитов Mg-HAP и ZM61-HAP. Материаловедение и инженерия: A 527 (23), 6283–6288.