Микроструктура заэвтектического силумина при высокоскоростном затвердевании

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты исследования микроструктуры сплавов Al–20.1Si–0.2Fe и Al–21.3Si–0.8Mg–0.5Fe–0.3Mn–0.6Ni–1.4Cu (значения концентрации у элементов даны в мас.%), полученных методом сверхбыстрой закалки из расплава. Показано, что фольга имеет двухслойную микроструктуру, которая формируется в результате изменения условий затвердевания. Обнаружена ликвация кремния по толщине фольги, приводящая к пониженной концентрации кремния в слое фольги, прилегающем к кристаллизатору, и его выделению на границе слоев. Предложен механизм формирования слоистой микроструктуры на основе локально-неравновесной теории кристаллизации. Проведен расчет неравновесного коэффициента распределения при высокоскоростном затвердевании с учетом зависимости объемной и поверхностной скорости диффузии кремния в расплаве Al–Si от концентрации Si. Показано удовлетворительное соотношение результатов расчета и экспериментальных данных. Дано объяснение куполообразной формы границы слоев с различной микроструктурой, основанное на анализе морфологии поверхности фольги, прилегающей к кристаллизатору.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Г. Шепелевич

Белорусский государственный университет

Email: ol.gusakova@gmail.com
Белоруссия, пр-т Независимости, 4, Минск, 220030

О. В. Гусакова

УО “Международный государственный экологический институт имени А.Д. Сахарова” Белорусского государственного университета

Автор, ответственный за переписку.
Email: ol.gusakova@gmail.com
Белоруссия, ул. Долгобродская, 23, Минск, 220070

С. В. Гусакова

Белорусский государственный университет

Email: ol.gusakova@gmail.com
Белоруссия, пр-т Независимости, 4, Минск, 220030

Список литературы

  1. Haizhi Y. An Overview of the Development of Al-Si-Alloy Based Material for Engine Applications // J. Mater. Eng. Perf. 2003. V. 12. No. 3. P. 288–297.
  2. Попова М.В., Прудников А.Н., Долгова С.В., Малюх М.А. Перспективные алюминиевые сплавы для авиационной и космической техники // Вестник Сибирского государственного индустриального ун-та. 2017. № 3(21). C. 18–23.
  3. Стеценко В.Ю., Радько С.Л., Харьков С.A., Ли Д.Х., Чой К.-Й. Повышение эффективности охлаждения отливок из силуминов при литье закалочным затвердеванием // Литье и металлургия. 2006. № 2–1. C. 127–128.
  4. Xu Y., Deng Y., Casari D., Mathiesen R.H., Liu X., Li Y. Growth kinetics of primary Si particles in hypereutectic Al-Si alloys under the influence of P inoculation // Exp. Model. J. Alloys Compounds. 2021. V. 854. P. 155323–155333.
  5. Liang S.S., Wen S.P., Xu J., Wu X.L., Gao K.Y., Huang H., Nie Z.R. The influence of Sc–Si clusters on aging hardening behavior of dilute Al–Sc–(Zr)–(Si) alloy // J. Alloys Compounds. 2020. V. 842. P. 155826.
  6. Барковa Р.Ю., Просвиряковa А.С., Хомутовa М.Г., Поздняковa А.В. Влияние содержания Zr и Er на структуру и свойства сплава Al–5Si–1.3Cu–0.5Mg // ФММ. 2021. Т. 122. № 6. С. 658–664.
  7. Петрова А.Н., Кленов А.И., Бродова И.Г., Распосиенко Д.Ю., Пильщиков А.А., Орлова Н.Ю. Влияние технологических факторов на структуру и свойства Al–Cu–Mg–Si-сплава, полученного селективным лазерным сплавлением // ФММ. 2023. Т. 124. № 10. С. 961–970.
  8. Бродоваa И.Г., Чикова О.А., Петрова А.Н., Меркушев А.Г. Cтруктурообразование и свойства эвтектического силумина, полученного селективным лазерным сплавлением // ФММ. 2019. Т. 120. № 11. С. 1204–1209.
  9. Matsuura K., Kudoh M., Kinoshita H., Takahashi H. Precipitation of Si particles in a super-rapidly solidified Al–Si hypereutectic alloy // Mater. Chem. Phys. 2003. V. 81. No. 2–3. P. 393–395.
  10. Cai Z., Zhang C., Wang R., Peng C., Wang K.Q.N. Effect of solidification rate on the coarsening behavior of precipitate in rapidly solidified Al–Si alloy // Progress in Natural Science: Materials International. 2016. V. 26. No. 4. P. 391–397.
  11. Kimura T., Nakamoto T., Mizuno M., Araki H. Effect of silicon content on densification, mechanical and thermal properties of Al-xSi binary alloys fabricated using selective laser melting // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 682. P. 593–602.
  12. Shimanski V.I., Evdokimovs A.I., Cherenda N.N., Astashinski V.M., Petrikova E.A. Structure and phase composition of hypereutectic silumin allou Al–20Si after compression plasma flows impact // J. Belarusian State University Phys. 2021. V. 2. P. 25–33.
  13. Xu C.L., Wang H.Y., Qiu F., Yang Y.F., Jiang Q.C. Cooling rate and microstructure of rapidly solidified Al–20 wt.% Si alloy // Mater. Sci. Eng. 2006. V. A417. P. 275–280.
  14. Uzun O., Karaaslan T., Gogebakan M., Keskin M. Hardness and microstructural characteristics of rapidly solidified Al–8–16 wt.%Si alloys // J. Alloys Compounds. 2004. V. 376. P. 149–157.
  15. Li Y., Jiang T., Wei B., Xu B., Xu G., Wang Z. Microcharacterization and mechanical performance of an Al–50Si alloy prepared using the sub-rapid solidification technique // Mater. Letters. 2020. V. 263. P. 127287.
  16. Шепелевич В.Г., Гусакова О.В., Александров В.И., Стародумов И.О. Фазовый состав заэвтектического силумина при высокоскоростном затвердевании // Журнал Белорусского государственного ун-та. Физика. 2019. № 2. С. 96–104.
  17. Gusakova O., Shepelevich V., Alexandrov D.V., and Starodumov I.O. Formation of the microstructure of rapidly solidified hypoeutectic Al–Si alloy // Eur. Phys. J. Special Topics. 2020. V. 229. P. 417–425.
  18. Gusakova O. Chemically partitionless crystallization in near-eutectic rapidly solidified Al–12.6Si–0.8Mg–0.4Mn–0.7Fe–0.9Ni–1.8Cu alloy // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2023. V. 232(8). P. 1281–1291.
  19. Гусакова О.В., Гусакова С.В., Шепелевич В.Г. Влияние скорости охлаждения расплава на микроструктуру сплава Al–Si легированного Mg, Mn, Fe, Ni и Сu // ФММ. 2022. Т. 123. № 5. С. 533–540.
  20. Калиниченко A.С., Кривошеев Ю.К. Определение глубины переохлаждения расплава и характера структурообразования при закалке из жидкого состояния // Литье и металлургия. 2001. Т. 3. С. 60–65.
  21. Соболев С.Л. Процессы переноса и бегущие волны в локально-неравновесных системах // Успехи физ. наук. 1991. Т. 161. № 3. С. 5–29.
  22. Sobolev S.L. Effects of Solute Diffusion on Rapid Solidification of Alloys // Phys. Stat. Sol. (a). 1996. V. 156. P. 293–303.
  23. Sobolev S.L. Diffusion-stress coupling in liquid phase during rapid solidification of binary mixtures // Phys. Letters A. 2014. V. 378 (5–6). P. 475–479.
  24. Галенко П.К. Модель высокоскоростного затвердевания как проблема неравновесных фазовых переходов // Вестник Удмуртского ун-та Физика. 2005. Т. 4. С. 61–94.
  25. Галенко П.К., Херлах Д.М. Бездиффузионный рост кристаллической структуры при высокоскоростном затвердевании эвтектической бинарной системы // Вестник Удмуртского ун-та Физика. 2006. Т. 4. С. 77–92.
  26. Марширов В.В., Марширова Л.Е. Численное моделирование затвердевания сплавов при интенсивном сопряженном теплообмене // Сибирский журнал индустриальной математики. 2013. Т. XVI. № 4. С. 56–63.
  27. Wei P.S., Yeh F.B. Graduate Heat Transfer Coefficient in Rapid Solidification of a Liquid Layer on a Substrate // J. Heat Transfer. 2000. V. 122. P. 793–900.
  28. Qin J., Li X., Wang J., Pan S. The self-diffusion coefficients of liquid binary M–Si (M=Al, Fe, Mg and Au) alloy systems by first principles molecular dynamics simulation // AIP Advances. 2019. V. 9. P. 035328.
  29. Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов. Справочное издание. М.: МИСИС, 2007. 283 с.
  30. Цветкова Е.М., Филонов М.Р., Аникин Ю.А., Язвицкий М.Ю., Шумаков А.Н. Исследование рельефа контактной и свободной поверхностей аморфных и нанокристаллических лент, полученных закалкой из расплава на вращающемся барабане-холодильнике // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 2011. № 9. С. 28–32.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ-изображения микроструктуры и карты распределения Si в поперечном сечении фольги: (а, б) сплав Al–20Si–Fe; (в, г) сплав Al–20Si–M.

Скачать (508KB)
Метаданные
3. Рис. 2. СЭМ-изображение микроструктуры (а) и распределение Al и Si вдоль линии сканирования L–LI (б).

Скачать (114KB)
Метаданные
4. Рис. 3. СЭM-изображение микроструктуры поверхности слоя А фольги сплава Al–20Si–M.

Скачать (333KB)
Метаданные
5. Рис. 4. СЭМ-изображения микроструктуры (а, г), карта распределения кремния (б), распределение Fe вдоль линии сканирования L–LI (в) в слое В фольги сплава Al–Si–Fe. а – полированная поверхность; г – участок поверхности после травления.

Скачать (543KB)
Метаданные
6. Рис. 5. СЭМ-изображения микроструктуры в слое В фольги сплава Al–Si–М: (а) полированная поверхность поперечного сечения; (б, в) после травления.

Скачать (421KB)
Метаданные
7. Рис. 6. СЭМ-изображение микроструктуры в слое В (а) и карты распределения элементов (б–з) в поперечном сечении фольги сплава Al–20Si–М.

Скачать (916KB)
Метаданные
8. Рис. 7. СЭМ-изображение микроструктуры поверхности (а), ориентационная карта в цветах обратной полюсной фигуры (б) и распределения сечений зерен по размерным группам (в) сплава Al–20Si–Fe.

Скачать (414KB)
Метаданные