ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Металломатричные композиты (ММК) на основе алюминия в последние годы вызывают повышенный интерес в связи с улучшенными механическими свойствами, что открывает широкие перспективы для их применения в различных отраслях промышленности. В то время как существуют различные способы введения упрочняющих компонентов в металлическую матрицу, метод механического замешивания частиц в расплав (stir casting) является относительно простым и эффективным способом, обеспечивающим более равномерное распределение упрочняющих частиц по объему матрицы. Цель данной работы: изучение влияния комбинированного упрочнения наночастицами графена и карбида кремния (SiC) на механические свойства сплава Al7075-T6. Известно, что введение частиц SiC в сплавы серии 7XXX приводит к повышению усталостной прочности. Ранее также было исследовано влияние частиц SiC на механические свойства композитов на основе сплава A356, включая показатели удлинения, прочности при сжатии, прочности при растяжении и твёрдости. Однако влияние комбинированного упрочнения, в частности введение комбинации графена и частиц SiC, на механические свойства сплава Al7075-T6 остается недостаточно изученным, что и определяет актуальность данного исследования. Методы. Учитывая широкую область применения алюминиевых матричных композитов (АМК) в автомобильной и аэрокосмической промышленности, в настоящем исследовании анализируется влияние различных соотношений наночастиц SiC и графена на твёрдость и предел прочности при растяжении нанокомпозитов, полученных методом механического замешивания частиц в расплав на основе алюминиевого сплава Al7075-T6. Дополнительно был выполнен анализ микроструктуры и поверхностей излома композитов с использованием сканирующей электронной микроскопии – энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Основными задачами исследования являются разработка легких высокопрочных комбинированных металломатричных нанокомпозитных материалов и оценка возможности введения наночастиц графена и SiC в матрицу сплава Al7075. Особое внимание уделено анализу взаимосвязи между составом, микроструктурой и механическими свойствами полученных комбинированных материалов. Результаты и обсуждение. В ходе исследования было установлено, что применение механического замешивания частиц в расплав способствует улучшению смачиваемости, когезии и прочности сцепления между упрочняющими компонентами и матрицей, а также снижению пористости. По сравнению с композитами, полученными без замешивания, нанокомпозиты, полученные методом механического замешивания частиц в расплав, продемонстрировали повышенные показатели прочности и вязкости, что связано с изменением микроструктуры. Результаты исследования свидетельствуют, что оптимизация параметров механического замешивания частиц в расплав позволяет существенно влиять на механические свойства и морфологию поверхности нанокомпозитов на основе Al7075. Анализ результатов показал, что использование комбинированного упрочнения наночастицами значительно повышает как твёрдость, так и предел прочности при растяжении сплава Al7075-T6. Отмечена четкая корреляция между соотношением наночастиц SiC и графена и механическими свойствами полученных образцов. В частности, образец Al7075, упрочненный 0,5 масс. % графена и 3 масс. % наночастиц SiC, продемонстрировал наилучшие показатели твёрдости и прочности при растяжении по сравнению с неупрочненным сплавом Al7075 и другими исследованными комбинациями SiC и графена. При содержании графена 0,5 масс. % и содержании SiC 1–3 масс. % нанокомпозиты на основе Al7075 характеризовались хорошо сформированной зернистой структурой с четкими и непрерывными границами зерен. Образование мелкодисперсных наночастиц размером от 62,57 до 91,54 нм способствовало эффективной передаче нагрузки, измельчению зерен и препятствовало движению дислокаций, что, в свою очередь, привело к улучшению механических характеристик. Нанокомпозит на основе Al7075 с оптимальным составом показал высокие механические свойства, а поверхность излома образцов была плотной, с однородными микропорами и минимальным количеством вырванных частиц. Такое поведение связано с пластическим характером разрушения, обусловленным прочной связью между матрицей и упрочняющими компонентами, а также эффективной передачей нагрузки.

1. Ajithkumar J.P., Xavior M.A. Cutting force and surface roughness analysis during turning of Al 7075 based hybrid composites // Procedia Manufacturing. – 2019. – Vol. 30. – P. 180–187. – DOI: 10.1016/j.promfg.2019.02.026.

2. An investigation of the mechanical, thermal and electrical properties of an AA7075 alloy reinforced with hybrid ceramic nanoparticles using friction stir processing / A.B. Khoshaim, E.B. Moustafa, M.A. Alazwari, M.A. Taha // Superalloys. – 2023. – Vol. 13 (1). – P. 124. – DOI: 10.3390/met13010124.

3. Ultrasound-assisted liquid-phase synthesis and mechanical properties of aluminum matrix nanocomposites incorporating boride nanocrystals / B. Ma, I. Gómez?Recio, L. Mazerolles, P. Mazeran, C. Sanchez, S. Delalande, D. Portehault // Small. – 2021. – Vol. 18 (4). – P. 2104091. – DOI: 10.1002/SMLL.202104091.

4. Microstructure, mechanical properties, and thermal stability of Al-Al₂O₃ nanocomposites consolidated by ECAP or SPS from milled powders / A. Lacour-Gogny-Goubert, V. Doquet, M. Novelli, A. Tanguy, S. Hallais, J. Bourgon, B. Villeroy, R. Massion // Metals. – 2023. – Vol. 13 (5). – P. 825. – DOI: 10.3390/met13050825.

5. Ujah C.O., Kallon D.V.V. Trends in aluminium matrix composite development // Crystals. – 2022. – Vol. 12 (10). – P. 1357. – DOI: 10.3390/cryst12101357.

6. Mechanical and tribological properties of aluminum-based metal-matrix composites / A. Lakshmikanthan, S. Angadi, V. Malik, K.K. Saxena, C. Prakash, S. Dixit, K.A. Mohammed // Materials. – 2022. – Vol. 15 (17). – P. 6111. – DOI: 10.3390/ma15176111.

7. Aynalem G.F. Processing methods and mechanical properties of aluminium matrix composites // Advances in Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 220 (1). – P. 3765791. – DOI: 10.1155/2020/3765791.

8. Mechanical properties of AA2024 aluminum/MWCNTs nanocomposites produced using different powder metallurgy methods / F. Stergioudi, A. Prospathopoulos, A. Farazas, E.Ch. Tsirogiannis, N. Michailidis // Metals. – 2022. – Vol. 12 (8). – P. 1315. – DOI: 10.3390/met12081315.

9. Stir casting process analysis and optimization for better properties in Al-MWCNT-GR-based hybrid composites / K. Shivalingaiah, V. Nagarajaiah, C. Selvan, S. Kariappa, N. Chandrashekarappa, A. Lakshmikanthan, M. Chandrashekarappa, E. Linul // Metals. – 2022. – Vol. 12 (8). – P. 1297. – DOI: 10.3390/met12081297.

10. Ratna Kumar G.E.V., Senthil Kumar K, Ranga Babu J.A. A Review on fabrication and mechanical characterization of particulate reinforced Al-7075 metal matrix composites/hybrid composites // Journal of Advanced Research in Applied Sciences and Engineering Technology. – 2023. – Vol. 34 (2). – P. 62–71. – DOI: 10.37934/araset.34.2.6271.

11. Characterization of hybrid silicon carbide and boron carbide nanoparticles-reinforced aluminum alloy composites / L. Poovazhagan, K. Kalaichelvan, A. Rajadurai, V. Senthilvelan // Procedia Engineering. – 2013. – Vol. 64. – P. 681–689. – DOI: 10.1016/j.proeng.2013.09.143.

12. Mechanical properties and morphology of aluminium metal matrix nanocomposites-stir cast products / Md. T. Alam, A.H. Ansari, S. Arif, Md. N. Alam // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2017. – Vol. 3 (4). – P. 600–615. – DOI: 10.1080/2374068X.2017.1350543.

13. Characterization and machinability studies of aluminium-based hybrid metal matrix composites – A critical review / S.P. Patil, S.S. Kore, S.S. Chinchanikar, S.Y. Waware // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. – 2023. – Vol. 101 (2). – P. 137–163. – DOI: 10.37934/arfmts.101.2.137163.

14. Waware S.Y., Kore S.S., Patil S.P. Heat transfer enhancement in tubular heat exchanger with jet impingement: A review // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. – 2023. – Vol. 101 (2). – P. 8–25. – DOI: 10.37934/arfmts.101.2.825.

15. Innovative heat transfer enhancement in tubular heat exchanger: An experimental investigation with minijet impingement / S.Y. Waware, S.S. Kore, A.S. Kurhade, S.P. Patil // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. – 2024. – Vol. 116 (2). – P. 51–58. – DOI: 10.37934/arfmts.116.2.5158.

16. Kulkarni P., Chinchanikar S. A review on machining of nickel-based superalloys using nanofluids under minimum quantity lubrication (NFMQL) // Journal of the Institution of Engineers (India): Series C. – 2023. – Vol. 104 (1). – P. 183–199. – DOI: 10.1007/s40032-022-00905-w.

17. Chinchanikar S., Kore S.S., Hujare P. A review on nanofluids in minimum quantity lubrication machining // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 68. – P. 56–70. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.05.028.

18. Kulkarni P., Chinchanikar S. Machining effects and multi-objective optimization in Inconel 718 turning with unitary and hybrid nanofluids under MQL // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2024. – Vol. 18 (68). – P. 222–241. – DOI: 10.3221/IGF-ESIS.68.15.

19. Kulkarni P., Chinchanikar S. Machinability of Inconel 718 using unitary and hybrid nanofluids under minimum quantity lubrication // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2024. – Vol. 11 (1). – P. 421–449. – DOI: 10.1080/2374068X.2024.2307103.

20. Patil S.P., Ghadage K.L., Bhave S.V. Machinability studies of aluminium-based hybrid metal matrix composites – A critical review // International Journal of Advanced Research in Science, Communication and Technology. – 2023. – Vol. 3 (1). – P. 94–99. – DOI: 10.48175/IJARSCT-9014.

21. Advancements in aluminum matrix composites reinforced with carbides and graphene: A comprehensive review / M.A. Alam, H.B. Ya, M. Azeem, M. Mustapha, M. Yusuf, F. Masood, R.V. Marode, S.M. Sapuan, A.H. Ansari // Nanotechnology Reviews. – 2023. – Vol. 12 (1). – P. 20230111. – DOI: 10.1515/ntrev-2023-0111.

22. Recent development in graphene-reinforced aluminium matrix composite: A review / A. Md Ali, M.Z. Omar, H. Hashim, M.S. Salleh, I.F. Mohamed // Reviews on Advanced Materials Science. – 2021. – Vol. 60 (1). – P. 801–817. – DOI: 10.1515/rams-2021-0062.

23. A systematic review on the mechanical, tribological, and corrosion properties of Al 7075 metal matrix composites fabricated through stir casting process / M. Sambathkumar, R. Gukendran, T. Mohanraj, D.K. Karupannasamy, N. Natarajan, D.S. Christopher // Advances in Materials Science and Engineering. – 2023. – Spec. iss. – P. 5442809. – DOI: 10.1155/2023/5442809.