Effect of Heat Treatment on the Structure and Phase Composition of Aluminum Matrix Composites Containing Silicon Carbide

N. B. Pugacheva; I. Yu. Malygina; N. S. Michurov; E. I. Senaeva; N. P. Antenorova

doi:10.17804/2410-9908.2017.6.028-036

N. B. Pugacheva, I. Yu. Malygina, N. S. Michurov, E. I. Senaeva, N. P. Antenorova

EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE STRUCTURE AND PHASE COMPOSITION OF ALUMINUM MATRIX COMPOSITES CONTAINING SILICON CARBIDE

DOI: 10.17804/2410-9908.2017.6.028-036

The paper studies the microstructure, phase and chemical compositions and hardness of composites with a D16 alloy matrix and SiC as a filler in the amounts of 10, 20 and 30 % after quenching from 540 °С followed by aging at temperatures of 120 and 170 °С. It has been found that the matrix has a grain structure, the grain size being determined by the size of the granules; namely, the coarser the granules (5 to 150 µm), the larger the grains (0.05 to 5 µm, respectively). Needle-shaped particles, up to 2 µm long and 0.5 µm wide, of the S-phase of Al2CuMg precipitate on the matrix grain boundaries. At a quenching temperature of 540 °С, all the reinforcing intermetallics dissolve in the metal matrix, with the formation of low-melting eutectics according to the reaction α + S(Al2CuMg) → L; eutectic structural constituents of two chemical compositions are formed – one including the copper- and zinc-enriched S-phase, the other containing magnesium. Herewith, the melt flows into the micropores among the filler particles, this being manifested especially clearly in the composite with 30 vol % SiC. Silicon carbide partially dissolves with the formation of Al4SiC4. Hardness measurements demonstrate that, after sintering, in the initial composites there are internal micropores at the interfaces of three and more SiC filler particles, and this decreases hardness from 107 HV 5 at 5% SiC to 71.6 HV 5 at 30 % SiC. Heating and holding at 540 °С increases the values of hardness due to lower porosity, these values being further increased by aging at 120 and 170 °C. It is proposed that heating to 540 °С be used to perform heat-deformation processing of the studied composites after sintering in order to decrease porosity, to ensure strong diffusion bonding of the matrix to the filler particles and to form the most homogeneous possible structure, aging at 120 or 170 °С being used for the final hardening of finished products.

Keywords: composite, matrix, filler, eutectics, quenching, aging, intermetallics, hardness

Bibliography:

Fernández R., González-Doncel G. Understanding the creep fracture behavior of aluminum alloys and aluminum alloy metal matrix composites. Materials Science and Engineering: A, 2011, vol. 528, iss. 28, pp. 8218–8225. DOI: 10.1016/j.msea.2011.07.027
Yishi S., Qiubao O., Wenlong Z., Zhiqiang L., Qiang G., Genlian F., Di Z. Composite structure modeling and mechanical behavior of particle reinforced metal matrix composites. Mater. Sci. Eng. A., 2014, vol. 597, pp. 359–369. DOI: 10.1016/j.msea.2014.01.024
Zhao Long-Zhi, Zhao Ming-Juan, Yan Hong, Cao Xiao-Ming, Zhang Jin-Song. Mechanical behavior of SiC foam-SiC particles/Al hybrid composites. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, vol. 19, pp. 547–551. DOI: 10.1016/S10036326(10)60106-9
Ortega-Celaya F., Pech-Canul M.I., Lopes-Cuevars J., Rendon-Angeles J.C., Pech-Canul M.A. Microstructure and impact behavior of Al/SiCp composites fabricated by pressureless infiltration with different types of SiCp. Journal of Materials Processing Technology, 2007, vol. 183,
nos. 2–3, pp. 368–373. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.10.029
Konovalov A.V., Smirnov S.V. The state of the art and lines of research in the field of Al/SiC metal matrix composites. Konstruktsii iz Kompozitsionnykh Materialov, 2015, no. 1, pp. 30–35. (In Russian).
Pugacheva N.B., Michurov N.S., Bikova T.M. The Structure and Properties of the 30Al-70SiC Metal Matrix Composite Material. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2015, iss. 6, pp. 6–18. Available at: http://dreamjournal.org/issues/2015-6/2015-6_56.html 11
Pugacheva N.B., Michurov N.S., Bykova T.M. Structure and properties of the Al/SiC composite material. Physics of Metals and Metallography, 2016, vol. 117, no. 6, pp. 634–640. DOI: 10.1134/S0031918X16060119
Smirnov A.S., Konovalov A.V., Muizemnek O.Yu. Modelling and Simulation of Strain Resistance of Alloys Taking into Account Barrier Effects. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2015, iss. 1, pp. 61–72. Available at: http:// dream-journal.org/issues/2015-1/2015-1_18.html
Khalevitsky Yu.V., Myasnikova M.V., Konovalov A.V. Ways of creating a computational model of the representative volumes an Al/SiC metal matrix composite with an internal structure. Matematicheskoe Modelirovanie v Estestvennykh Naukakh, 2014, vol. 1, pp. 277–280. (In Russian).
Kolachev B.A., Yelagin V.I., Livanov V.A. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Metal Science and Heat Treatment of Metals]. М, MISIS Publ., 2001, 416 p. (In Russian).
Fridlyander I.N. Modern Aluminum and Magnesium Alloys and Composite Materials Based on Them. Metal Science and Heat Treatment, 2002, vol. 44, iss 7, pp. 292–296. DOI: 10.1023/A: 1021255804324
Lee Doh-Jae, Vaudin M.D., Handewerker C.A., Katter U.R. Phase Stability and Interface Reactions in the Al-SiC System. In: Mater. Res. Symp. Proc., 1988, vol. 120, pp. 293. DOI: 10.1557/PROC-120-357
Ibrahim A.I., Mohamed F.A., Lavernia E.J. Particular reinforced metal matrix composites – a review. Journal of Materials Science, 1991, vol. 26, iss. 5, pp. 1137–1156. DOI: 10.1007/BF00544448
Pugacheva N.B., Michurov N.S., Senaeva E.I. Structure and thermophysical properties of aluminum-matrix composites. Physics of Metals and Metallography, 2016, no. 11, pp. 1144–1151. DOI: 10.1134/S0031918X16110119

Н. Б. Пугачева, И. Ю. Малыгина, Н. С. Мичуров, Е. И. Сенаева, Н. П. Антенорова

ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ С КАРБИДОМ КРЕМНИЯ

Исследована микроструктура, фазовый и химический составы и твердость композитов с матрицей из сплавов Д16 с содержанием наполнителя – карбида кремния SiC – 5, 10, 20 и 30 % после закалки от 540 °С и последующего старения при температурах 120 и 170 °С. Установлено, что матрица в исследованных композитах имеет зеренное строение, причем размер зерен определяется размерами гранул: чем крупнее гранулы (от 5 до 150 мкм), тем больше размер зерна (от 0,05 до 5 мкм) соответственно. Определено, что по границам зерен металлической матрицы выделяются частицы S-фазы Al₂CuMg игольчатой формы, длина частиц достигает 2 мкм при ширине 0,5 мкм. При температуре 540 °С происходит растворение всех упрочняющих интерметаллидов в металлической матрице и образуется легкоплавкая эвтектика по реакции α+S(Al₂CuMg) →L, после охлаждения которой формируются эвтектические структурные составляющие двух химических составов: первый включает S-фазу, обогащенную медью и цинком, а второй – магнием. При этом происходит затекание расплава в микропоры между частицами наполнителя, что особенно ярко проявилось в композите с 30 об. % SiC. При этом происходит частичное растворение карбида кремния с образованием соединения Al₄SiC₄. Замеры твердости показали, что в исходных композитах после спекания присутствуют внутренние микропоры на участках стыка трех и более частиц наполнителя SiC, что сказывается на уменьшении твердости от 107 HV 5 при 5 % SiC до 71,6 HV 5 при 30 % SiC. Нагрев и выдержка при температуре 540 °С привели к повышению значений твердости за счет снижения пористости, а старение при 120 и 170 °С дополнительно увеличило эти значения. Предложено использовать нагрев до 540 °С для проведения термо-деформационной обработки исследованных композитов после спекания для снижения пористости, установления прочных диффузионных связей между матрицей и частицами наполнителя, а также формирования максимально однородной структуры, а старение при 120 или 170 °С – для окончательной упрочняющей обработки готовых изделий.

Благодарности: Работа выполнена при частичной поддержке проекта РНФ № 14-19-01358 (в обла-сти исследованных материалов).

Ключевые слова: композит, матрица, наполнитель, эвтектика, закалка, старение, интерметаллиды. твердость

Библиография:

Fernandez R., Gonzalez-Doncel G. Understanding the creep fracture behavior of aluminum alloys and aluminum alloy metal matrix composites // Mater. Sci. Eng. A. – 2011. – Vol. 528. – P. 8218–8225. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.07.027
Composite structure modeling and mechanical behavior of particle reinforced metal matrix composites / S. Yishi, O. Qiubao, Z. Wenlong, L. Zhiqiang, G. Qiang, F. Genlian, Z. Di // Mater. Sci. Eng. A. – 2014. – Vol. 597. – P. 359–369. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.01.024
Mechanical behavior of SiC foam-SiC particles/Al hybrid composites / Long-Zhi Zhao, Ming-Juan Zhao, Hong Yan, Xiao-Ming Cao, Jin-Song Zhang // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2009. – Vol. 19. – P. 547–551. – DOI: 10.1016/S10036326(10)60106-9
Ortega-Celaya F., Pech-Canul M. I., Lopes-Cuevars J., Rendon-Angeles J. C., Pech-Canul M. A. Microstructure and impact behavior of Al/SiCp composites fabricated by pressure less infiltration with different types of SiCp // Mater. Proces. Techn. – 2007. – Vol. 183. – Nos. 2–3. – P. 368–373. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.10.029
Коновалов А. В., Смирнов С. В. Современное состояние и направления исследований металломатричных композитов Al/SiC // Конструкции из компо- зиционных материалов. – 2015. – № 1. – С. 30–35.
Pugacheva N. B., Michurov N. S., Bikova T. M. The Structure and Properties of the 30Al–70SiC Metal Matrix Composite Material // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 6. –P. 6–18. – URL: http://dreamjournal.org/issues/2015-6/2015-6_56.html 11
Pugacheva N. B., Michurov N. S., Bykova T. M. Structure and properties of the Al/SiC composite material // Physics of Metals and Metallography. – 2016. – Vol. 117, no. 6. – С. 634–640. – DOI: 10.1134/S0031918X16060119
Smirnov A. S., Konovalov A. V., Muizemnek O. Yu. Modelling and Simulation of Strain Resistance of Alloys Taking into Account Barrier Effects // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 1. – P. 61–72. – URL: http:// dream-journal.org/issues/
/2015-1/2015-1_18.html
Халевицкий Ю. В., Мясникова М. В., Коновалов А. В. Приемы создания вычислительной модели представительных объемов металломатричного композита Al/SiC с внутренней структурой // Математическое моделирование в естественных науках. – 2014. – Т. 1. – С. 277–280.
Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М. : Изд-во МИСИС, 2001. – 416 с.
Fridlyander I. N. Modern Aluminum and Magnesium Alloys and Composite Materials Based on Them // Metal Science and Heat Treatment. – 2002. – Vol. 44. – Iss 7. – P. 292–296. – DOI: 10.1023/A: 1021255804324
Phase Stability and Interface Reactions in the Al-SiC System / Doh-Jae Lee, M. D. Vaudin, C. A. Handewerker, U. R. Katter // Mater. Res. Symp. Proc. – 1988. – Vol. 120. – P. 293. – DOI: 10.1557/PROC-120-357
Ibrahim A. I., Mohamed F. A., Lavernia E. J. Particular reinforced metal matrix composites – a review // Journal of Materials Science. – 1991– Vol. 26 – P. 1137–1156. – DOI: 10.1007/BF00544448
Structure and thermophysical properties of aluminum-matrix composites / N. B. Pugacheva, N. S. Michurov, E. I. Senaeva // Physics of Metals and Metallography. – 2016. – No. 11. – P. 1144–1151. – DOI: 10.1134/S0031918X16110119

Библиографическая ссылка на статью

Effect of Heat Treatment on the Structure and Phase Composition of Aluminum Matrix Composites Containing Silicon Carbide / N. B. Pugacheva, I. Yu. Malygina, N. S. Michurov, E. I. Senaeva, N. P. Antenorova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2017. - Iss. 6. - P. 28-36. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2017.6.028-036. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2017-6/2017-6_161.html
(accessed: 24.04.2024).