ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Электронно-лучевое аддитивное производство является перспективным методом получения новых сплавов с уникальными свойствами. В то же время существующие проблемы с получением качественной структуры требуют поиска технического решения, обеспечивающего измельчение зерна и формирование более однородной микроструктуры. Для деформационно-упрочняемых медных сплавов методы интенсивной пластической деформации являются эффективными способами управления их структурным состоянием и механическими свойствами. В настоящее время влияние интенсивной пластической деформации (ИПД) на структуру, механические и трибологические свойства перспективной для промышленного применения бронзы системы Cu-Al-Si-Mn не исследовано. Целью работы является исследование связи структурного состояния, сформированного в результате интенсивной пластической деформации, с механическими и трибологическими свойствами образцов бронзы системы Cu-Al-Si-Mn. В работе исследованы образцы бронзы системы Cu-Al-Si-Mn, изготовленные из проволок бронзы БрКМц 3-1 и технически чистого алюминия методом мультипроволочной электронно-лучевой аддитивной технологии. Для целенаправленного изменения структуры и свойств полученные аддитивные заготовки были подвергнуты интенсивной пластической деформации (ИПД). В качестве методов ИПД использовались многосторонняя ковка и прокатка, направленные на существенное измельчение зерна и повышение прочностных характеристик. Методы: исследование структуры на просвечивающем электронном микроскопе для детального анализа субмикронной структуры после ИПД; рентгенофазовый анализ для идентификации фазового состава сплава; испытания на растяжение для определения ключевых механических свойств – предела прочности, предела текучести и относительного удлинения; измерение микротвердости для оценки упрочнения образцов с использованием нагрузок по Виккерсу; конфокальная лазерная сканирующая микроскопия для трехмерного анализа топографии поверхности и исследования морфологии изношенных поверхностей; испытания на сухое трение скольжения для оценки износостойкости материала и коэффициента трения в условиях отсутствия смазки при заданных нагрузках и скоростях скольжения. Результаты и обсуждение. На основе данных просвечивающей электронной микроскопии установлено, что применение многосторонней ковки и прокатки привело к существенным изменениям в структуре материала, а также его фазового состава. На основе рентгенофазового анализа выявлено, что интенсивная пластическая деформация способствовала деформационному растворению γ- и β-фаз. Результаты испытаний на растяжение показали, что наибольшая прочность достигается после интенсивной пластической деформации методом прокатки, после многосторонней ковки. ИПД путем многосторонней ковки и последующей прокатки привела к повышению микротвердости бронзы. В результате трибологических испытаний установлено, что ИПД способствует снижению коэффициента трения (КТ) по сравнению с материалом в напечатанном состоянии. Термическая обработка образцов после ИПД привела к повышению КТ и увеличению флуктуаций его величины. ИПД путем многосторонней ковки и последующей прокатки способствует многократному увеличению износостойкости образов в условиях сухого трения скольжения. Низкотемпературный отжиг после ИПД приводит к снижению износостойкости деформированных образцов. Таким образом, применение ИПД позволяет повысить прочность и износостойкость образцов бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.

1. Медь и медные сплавы: отечественные и зарубежные марки: справочник / О.Е. Осинцев, В.Н. Федоров. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Инновационное машиностроение, 2016. – 360 с. – ISBN 978-5-9907638-3-8.

2. Micro-, Meso- and macrostructural design of bulk metallic and polymetallic materials by wire-feed electron-beam additive manufacturing / E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, A.V. Chumaevsky, E.G. Astafurova // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25 (6). – P. 479–491. – DOI: 10.1134/S1029959922060017.

3. Microstructural evolution and mechanical properties of Cu-Al alloys subjected to equal channel angular pressing / S. Qu, X.H. An, H.J. Yang, C.X. Huang, G. Yang, Q.S. Zang, Z.G. Wang, S.D. Wu, Z.F. Zhang // Acta Materialia. – 2009. – Vol. 57 (5). – P. 1586–1601. – DOI: 10.1016/j.actamat.2008.12.002.

4. Massalski T.B. The Al-Cu (Aluminum-Copper) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. – 1980. – Vol. 1. – P. 27–33. – DOI: 10.1007/BF02883281.

5. Kroupa A., Zobac O., Richter K.W. The thermodynamic reassessment of the binary Al-Cu system // Journal of Materials Science. – 2021. – Vol. 56. – P. 3430–3443. – DOI: 10.1007/s10853-020-05423-7.

6. Experimental description of the Al-Cu binary phase diagram / O. Zobac, A. Kroupa, A. Zemanova, K.W. Richter // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2019. – Vol. 50. – P. 3805–3815. – DOI: 10.1007/s11661-019-05286-x.

7. Alés A. Study of different structures derives of β−Cu₃Al by means of ab-initio calculations and quasi-harmonic approximation // Computational Condensed Matter. – 2022. – Vol. 31. – P. e00652. – DOI: 10.1016/j.cocom.2022.e00652.

8. Calorimetric measurements and assessment of the binary Cu-Si and ternary Al-Cu-Si phase diagrams / B. Hallstedt B., J. Gröbner, M. Hampl, R. Schmid-Fetzer // Calphad. – 2016. – Vol. 53. – P. 25–38. – DOI: 10.1016/j.calphad.2016.03.002.

9. Experimental investigation of the Cu-Si phase diagram at x(Cu)>0.72 / K. Sufryd, N. Ponweiser, P. Riani, K.W. Richter, G. Cacciamani // Intermetallics. – 2011. – Vol. 19 (10). – P. 1479–1488. – DOI: 10.1016/j.intermet.2011.05.017.

10. Phillips H.W.L. The constitution of aluminum-copper-silicon alloys // Journal of the Institute of Metals. – 1953. – Vol. 82. – P. 9–15.

11. Raghavan V. Al-Cu-Si (Aluminum-Copper-Silicon) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. – 2007. – Vol. 28. – P. 180–182. – DOI: 10.1007/s11669-007-9024-y.

12. Experimental investigation and thermodynamic modeling of the Al-Cu-Si system / C.-Y. He, Y. Du, H.-L. Chen, H. Xu // Calphad. – 2009. – Vol. 33. – P. 200–210. – DOI: 10.1016/j.calphad.2008.07.015.

13. Riani P., Sufryd K., Cacciamani G. About the Al-Cu-Si isothermal section at 500 °C and the stability of the ?-Cu15Si4 phase // Intermetallics. – 2009. – Vol. 17. – P. 154–164. – DOI: 10.1016/j.intermet.2008.10.011.

14. Miettinen J. Thermodynamic description of the Cu-Al-Si system in the copper-rich corner // Calphad. – 2007. – Vol. 31. – P. 449–456. – DOI: 10.1016/j.calphad.2007.05.001.

15. Ponweiser N., Richter K.W. New investigation of phase equilibria in the system Al-Cu-Si // Journal of Alloys and Compounds. – 2012. – Vol. 512. – P. 252–263. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.09.076.

16. Heat input effect on microstructure and mechanical properties of Electron Beam Additive Manufactured (EBAM) Cu-7.5wt.%Al Bronze / A. Filippov, N. Shamarin, E. Moskvichev, N. Savchenko, E. Kolubaev, E. Khoroshko, S. Tarasov // Materials. – 2021. – Vol. 14 (22). – P. 6948. – DOI: 10.3390/ma14226948.

17. The effect of heat input, annealing, and deformation treatment on structure and mechanical properties of Electron Beam Additive Manufactured (EBAM) silicon bronze / A. Filippov, N. Shamarin, E. Moskvichev, N. Savchenko, E. Kolubaev, E. Khoroshko, S. Tarasov // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 3209. – DOI: 10.3390/ma15093209.

18. Decomposition of β′-martensite in annealing the additively manufactured aluminum bronze / A. Zykova, A. Panfilov, A. Chumaevskii, A. Vorontsov, D. Gurianov, N. Savchenko, E. Kolubaev, S. Tarasov // Materials Letters. – 2023. – Vol. 338. – P. 134064. – DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134064.

19. Improvement of strength and conductivity in Cu-alloys with the application of high pressure torsion and subsequent heat-treatments / D.V. Shangina, J. Gubicza, E. Dodony, N.R. Bochvar, P.B. Straumal, N.Yu. Tabachkova, S.V. Dobatkin // Journal of Materials Science. – 2014. – Vol. 49. – P. 6674–6681. – DOI: 10.1007/s10853-014-8339-4.

20. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation // Progress in Materials Science. – 2000. – Vol. 45. – P. 103–189. – DOI: 10.1016/S0079-6425(99)00007-9.

21. Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства / А.В. Филиппов, Е.С. Хорошко, Н.Н. Шамарин, Е.А. Колубаев, С.Ю. Тарасов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 110–130. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-110-130.

22. Mechanisms of formation of Al4Cu9 during mechanical alloying: An experimental study / R. Besson, M.-N. Avettand-Fenoel, L. Thuinet, J. Kwon, A. Addad, P. Roussel, A. Legris // Acta Materialia. – 2015. – Vol. 87. – P. 216–224. – DOI: 10.1016/j.actamat.2014.12.050.

23. Unusual kinetics of strain-induced diffusional phase transformations in Cu-Cr-Zr alloy / S.N. Faizova, D.A. Aksenov, I.A. Faizov, K.S. Nazarov // Letters on Materials. – 2021. – Vol. 11 (2). – P. 218–222. – DOI: 10.22226/2410-3535-2021-2-218-222.

24. Особенности деформационного растворения и строения поверхностей разрушения сплавов системы Cu-Co / Т.П. Толмачев, В.П. Пилюгин, А.М. Пацелов, Т.М. Гапонцева, А.В. Плотников, Р.В. Чурбаев, А.В. Иноземцев // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2019. – № 6. – С. 48–57. – DOI: 10.17804/2410-9908.2019.6.048-057.

25. Effect of annealing temperature on microstructure and properties of a heavy warm rolled nickel aluminum bronze alloy / S. Ma, X. Li, X. Yang, L. Fu, L. Liu, M. Xia, A. Shan // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2023. – Vol. 54. – P. 293–311. – DOI: 10.1007/s11661-022-06873-1.

26. Naydenkin E.V., Grabovetskaya G.P. Deformation behavior and plastic strain localization of nanostructured materials produced by severe plastic deformation // Materials Science Forum. – 2009. – Vol. 633–634. – P. 107–119. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.633-634.107.

27. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. 1. Физические основы многоуровневого подхода // Физическая мезомеханика. – 2006. – Т. 9, № 3. – С. 9–22.

28. Грабовецкая Г.П., Мишин И.П., Колобов Ю.Р. Влияние дисперсного упрочнения на закономерности и механизмы ползучести меди с субмикрометровым размером зерен // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2009. – № 2. – С. 38–43.

29. Козлов Э.В., Жданов А.Н., Конева Н.А. Барьерное торможение дислокаций. Проблема Холла-Петча // Физическая мезомеханика. – 2006. – Т. 9, № 3. – С. 81–92.

30. Растворение частиц вторых фаз в низколегированном медном сплаве системы Cu-Cr-Zr при обработке методом равноканального углового прессования / И.А. Фаизов, Р.Р. Мулюков, Д.А. Аксенов, С.Н. Фаизова, Н.В. Землякова, K. Cardoso, Y. Zeng // Письма о материалах. – 2018. – Т. 8, № 1. – С. 110–114. – DOI: 10.22226/2410-3535-2018-1-110-114.

31. Ilie F. Tribological behaviour of the steel/bronze friction pair (journal bearing type) functioning with selective mass transfer // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 124. – P. 655–662. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.107.