АЛЮМОМАТРИЧНІ КОМПОЗИТИ НА ОСНОВІ ЛИВАРНИХ АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ З ОКСИДАМИ ТА КАРБІДАМИ

Procesi littâ, 2025, Vol 1 (159), 48-64

Автор(и)

  • Р.Ф. Ліхацький Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ) https://orcid.org/0000-0001-8277-5122
  • М.М. Ворон Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ) https://orcid.org/0000-0002-0804-9496
  • А.В. Нарівський Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ) https://orcid.org/0000-0002-1596-6401
  • В.О. Твердохвалов Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ) https://orcid.org/0000-0002-3756-7639
  • І.Ф. Ліхацький Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ) https://orcid.org/0000-0002-2069-5255
  • Є.О. Матвієць Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ)

DOI:

https://doi.org/10.15407/plit2025.01.048

Ключові слова:

литі композиційні матеріали, алюмоматричні композити, оксидні й карбідні добавки, засвоєння армуючих фаз

Анотація

У роботі розглянуто технологічні особливості одержання литих алюмоматричних композиційних матеріалів (АМК), армованих оксидними та карбідними частинками Al2O3, ZrO2, TiO2, SiC, B4C та WC. Завдяки розвитку методів, таких як лиття з активним перемішуванням, in-situ синтез, перемішування, тертя та ін., можна створювати якісні композити зі сприятливими структурними характеристиками та високим рівнем механічних властивостей. Серед розглянутих методів одержання литих алюмоматричних композитів найбільш застосовуваними є лиття з активним перемішуванням розплаву та лиття під тиском. Перший спосіб універсальний для замішування і розподілення армуючих частинок, а другий дозволяє мінімізувати дефектність і пористість структури. Показано, що висока дисперсність добавок оксидів і карбідів частіше призводить до негативних наслідків — дефектів незасвоєння та агломерації порошків. Крупні частинки армуючих компонентів, у свою чергу, призводять до утворення пор. Краще засвоєння порошкових добавок за рахунок підвищення їх змочуваності забезпечується кількома способами, найефективнішими з яких є їх попередній підігрів, активація поверхні або додавання
до алюмінієвого розплаву магнію в кількості до 1 % мас. Більшість досліджень присвячені створенню АМК на основі сплаву А356. Найпопулярнішими добавками при цьому є Al2O3, ZrO2, SiC, B4C та WC. Оптимальний вміст наповнювачів для більшості досліджуваних складів — близько 2–6 % мас. Оптимальний розмір частинок — у межах 5–35 мкм, що виражається в підвищенні твердості композитів. Більший розмір частинок мало впливає на механічні властивості сплавів, а нанометрові розміри можуть призводити до нерівномірного їх розподілу та дефектів будови виробів.

Біографії авторів

Р.Ф. Ліхацький, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ)

д-р філос., мол. наук. співроб.

М.М. Ворон, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ)

канд. техн. н., ст. досл.

А.В. Нарівський, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ)

член-кор., д-р техн. н., зав. відділу

В.О. Твердохвалов, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ)

канд. техн. н., наук. співроб.

І.Ф. Ліхацький, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ)

аспірант

Є.О. Матвієць, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (м. Київ)

гол. технолог

Посилання

Pravin, R., & Raj, S. K. (2019). Stir casting & processing of aluminum matrix composites. In Advances in basic science (ICABS 2019). AIP Publishing. https://doi.org/10.1063/1.5122395

Fan, Q., Yang, Y., & Wang, M. (2017). Research on key welding technologies of aluminum matrix composites. In 2017 international conference on materials science and biological engineering. Francis Academic Press. https://doi.org/10.25236/icmsbe.2017.03

Singh, L., Kumar, S., Raj, S., Badhani, S., & Badhani, P. (2021). Aluminium metal matrix composites: manufacturing and applications. In IOP conf. series: materials science and engineering. IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1149/1/012025

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

Yadav, V. (2011). Spark plasma sintering of aluminum matrix composites [Master’s dissertation, Oklahoma State University]. ISBN-13: 978-1-249-08584-3. https://core.ac.uk/download/pdf/215277828.pdf

Izadi, H., Nolting, A., Munro, C., Bishop, D., Plucknett, K., & Gerlich, A. (2013). Friction stir-processing of Al/SiC composites fabricated by powder metallurgy. Journal of materials processing technology, 213, 1900-1907. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.05.012

Muribwathoho, O., Msomi, V., & Mabuwa, S. (2022). Metal matrix composite fabricated with 5000 Series marine grades of aluminium using FSP technique: State of the art review. Applied Sciences, 12(24), 12832. https://doi.org/10.3390/app122412832

Sukumaran, K., Ravikumar, K. K., Pillai, S. G. K., Rajan, T. P. D., Ravi, M., Pillai, R. M., & Pai, B. C. (2008). Studies on squeeze casting of Al 2124 alloy and 2124-10% SiCp metal matrix composite. Materials science and engineering: A, 490(1-2), 235-241. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.01.054

Jokhio, M. H., Panhwer, M. I., & Unar, M. A. (2010). Manufacturing of aluminum composite material using stir casting process. Mehran university research journal of engineering and technology, 30(1), 53-64. https://doi.org/10.48550/arXiv.1604.01251

Rathod, N. R., & Menghani, J. (2019). A consequence of reinforcements in aluminum-based metal matrix composites: a literature review. Metallurgical and materials engineering, 25(3), 195-208. https://doi.org/10.30544/422

Q., Rottmair, C., & Singer, R. (2010). CNT reinforced light metal composites produced by melt stirring and by high pressure die casting. Composites science and technology, 70(16), 2242-2247. http://dx.doi.org/10.1016/j.

Sharma, A. K., Bhandari, R., & Pinca-Bretotean C. (2021). A systematic overview on fabrication aspects and methods of aluminum metal matrix composites. Materials today: proceedings, 45(5), 4133-4138. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.11.899

Su H., Gao W., Feng Z., & Lu Z. (2012). Processing, microstructure and tensile properties of nano-sized Al2O3 particle reinforced aluminum matrix composites. Materials & Design, 36, 590-596. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2011.11.064

Sayuti, M., Sulaiman, S., Baharudin, B. T. H. T., & Arifin, M. K. A. (2016). Metal matrix composite products by vibration casting method. Reference module in materials science and materials engineering: Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.04082-0

Kim, C.-S., Cho, K., Manjili, M. H., & Nezafati, M. (2017). Mechanical performance of particulate-reinforced Al metal-matrix composites (MMCs) and Al metal-matrix nanocomposites (MMNCs). Journal of materials science, 52(23), 13319-13349. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1378-x

Vijayaram, T. R., Sulaiman, S., Hamouda, A. M. S., & Ahmad, M. H. M. (2006). Fabrication of fiber reinforced metal matrix composites by squeeze casting technology. Journal of materials processing technology, 178(1-3), 34-38. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.09.026

Woo, K. D., & Huo, H. W. (2006). Effect of high-energy ball milling on displacement reaction and sintering of Al-Mg/SiO2 composite powders. Metals and materials international, 12(1), 45-50.

Afkham, Y., Khosroshahi, R. A., Rahimpour, S., Aavani, C., Brabazon, D., & Mousavian, R. T. (2018). Enhanced mechanical properties of in situ aluminium matrix composites reinforced by alumina nanoparticles. Archives of civil and mechanical engineering, 18, 215-226. https://doi.org/10.1016/j.acme.2017.06.011

Gawdzińska, K., Chybowski, L., & Przetakiewicz, W. (2016). Proper matrix-reinforcement bonding in cast metal matrix composites as a factor of their good quality. Archives of civil and mechanical engineering, 16, 553-563. https://doi.org/10.1016/j.acme.2015.11.004

Maleki, A., Niroumand, B., & Meratian, M. (2015). Effects of processing temperature on in-situ reinforcement formation in Al (Zn)/Al2O3 (ZnO) nanocomposite. Metallurgical and materials engineering, 21(4), 283-291. Retrieved from https://metall-mater-eng.com/index.php/home/article/view/75

Ullah-Khan, S., Wanwu, D., Ullah-Khan, Q., Khan, S., Alam, A., Ullah, A., & Ullah, H. (2021). An analysis of in-situ synthesized Al 6061 alloy metal matrix composites: Review. European journal of materials science and engineering, 6(4), 220-233. https://doi.org/10.36868/ejmse.2021.06.04.220

Yu, P., Mei, Z., & Tjong, S. (2005). Structure, thermal and mechanical properties of in situ Albased metal matrix composite reinforced with Al2O3 and TiC submicron particles. Materials chemistry and physics, 93, 109-116.

Muley, A. V., Aravindan, S., & Singh, I. (2015). Nano and hybrid aluminium-based metal matrix composites: an overview. Manufacturing review, 2, 15. https://doi.org/10.1051/mfreview/2015018

Tavoosi, M., Karimzadeh, F., & Enayati, M. (2008). Fabrication of Al-Zn/α-Al2O3 nanocomposite by mechanical alloying. Materials letters, 62(2), 282-285. http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2007.05.017

Zhu, H., Wang, H., Ge, L., Xu, W., & Yuan, Y. (2008). Study of the microstructure and mechanical properties of composites fabricated by the reaction method in an Al-TiO2-B2O3 system. Materials science and engineering: A, 478(1-2), 87-92. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.05.076

Yang, B., Sun, M., Gan, G., Xu, C., Huang, Z., Zhang, H., & Fang, Z. Z. (2010). In situ Al2O3 particle-reinforced Al and Cu matrix composites synthesized by displacement reactions. Journal of alloys and compounds, 494(1-2), 261-265. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.01.005

Ogawa, F., & Masuda, C. (2014). Fabrication of carbon nanofiber-reinforced aluminum matrix composites assisted by aluminum coating formed on nanofiber surface by in-situ chemical vapor deposition. Materials research express, 2(1), 015601. http://dx.doi.org/10.1088/2053-1591/2/1/015601

Xu, Z., Choi, Y., Matsugi, K., Li, D., & Sasaki, G. (2010). Mechanical and thermal properties of vapor-grown carbon fiber reinforced aluminum matrix composites by plasma sintering. Materials transactions, 51(3), 510-515. https://doi.org/10.2320/matertrans.mbw200918

Kataria, M., & Mangal, S. K. (2018). Characterization of aluminium metal matrix composite fabricated by gas injection bottom pouring vacuum multi-stir casting process. Metallic materials, 56(4), 231-243. https://doi.org/10.4149/km_2018_4_231

Jia, S., Xuan, Y., Nastac, L., Allison, P. G., & Rushing, T. W. (2016). Microstructure, mechanical properties and fracture behavior of 6061 aluminium alloy-based nanocomposite castings fabricated by ultrasonic processing. International journal of cast metals research, 29(5), 286-289. https://doi.org/10.1080/13640461.2016.1181232

Sathiyaraj, S., Selvababu, B., Maqsood, A., Baskar, B., & Harsha, V. (2019). Fabrication and microstructure examination of Al-SiC MMCs via stir casting technique. International journal of innovative technology and exploring engineering, 9(2S4), 461-464. https://doi.org/10.35940/ijitee.b1213.1292s419

Thippeswamy, J. C., & Sathisha, N. (2019). Experimental investigations on mechanical properties of AL8081 reinforced with B4C particulate MMC’s. Journal of Experimental & Applied Mechanics, 10(2). https://doi.org/10.37591/joeam.v10i2.2997

Vijayakumar, M., Pradeep-Rai, M., Muthukrishnan, M., & Gnanakumar, N. (2022). Stir casting and successive rolling of aluminium alloy 2218 MMCs reinforced by high-entropy alloy particles. Key engineering materials, 935, 151-159. https://doi.org/10.4028/p-4o2q09

Kainer, U. K. (Ed.). (2006). Metal matrix composites: Custom-made materials for automotive and aerospace engineering. Wiley-VCH.

Sayuti, M., Sulaiman, S., Baharudin, B. T. H. T., & Arifin, M. K. A. (2016). Metal matrix composite products by vibration casting method. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.04082-0

Xiao, C., Chen, L., Tang, Y., Zhang, X., Zheng, K., & Tian, X. (2019). Three-dimensional porous alumina network for polymer composites with enhanced thermal conductivity. Composites part A: Applied science and manufacturing, 124, 105511. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.105511

Sangghaleh, A., & Halali, M. (2008). An investigation on the wetting of polycrystalline alumina by aluminium. Journal of materials processing technology, 197(1-3), 156-160. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.06.024

Mula, S., Padhi, P., Panigrahi, S. C., Pabi, S. K., & Ghosh, S. (2009). On structure and mechanical properties of ultrasonically cast Al-2%Al2O3 nanocomposite. Materials research bulletin, 44(5), 1154-1160. http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2008.09.040

Aybarç, U., Ertuğrul, O., & Seydibeyoğlu, M. Ö. (2020). Effect of Al2O3 particle size on mechanical properties of ultrasonic-assisted stir-casted al A356 matrix composites. International journal of metalcasting, 2, 638-649. https://doi.org/10.1007/s40962-020-00490-7

Nourouzi, S., Damavandi, E., & Rabiee, S. M. (2016). Microstructural and mechanical properties of Al-Al2O3 composites focus on experimental techniques. International journal of microstructure and materials properties, 11(5). http://dx.doi.org/10.1504/IJMMP.2016.10001593

Sajjadi, S. A., Ezatpour, H. R., & Beygi, H. (2011). Microstructure and mechanical properties of Al-Al2O3 micro and nano composites fabricated by stir casting. Materials science and engineering: A, 528(29-30), 8765-8771. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.08.052

Hossein-Zadeh, M., Mirzaee, O., & Saidi, P. (2014). Structural and mechanical characterization of Al-based composite reinforced with heat treated Al2O3 particles. Materials & Design, 54(2), 245-250. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.08.036

Sajjadi, S. A., Ezatpour, H. R., & Torabi Parizi, M. (2011). Comparison of microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloy/Al2O3 composites fabricated by stir and compo-casting processes. Materials & Design, 34, 106-111. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.07.037

Chou, S. N., Lu, H. H., Lii, D. F., & Huang, J. L. (2009). Processing and physical properties of Al2O3/aluminum alloy composites. Ceramics international, 35(1), 7-12. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2007.09.019

Kumar, A., Lal, S., & Kumar, S. (2013). Fabrication and characterization of A359/Al2O3 metal matrix composite using electromagnetic stir casting method. Journal of materials research and technology, 2(3), 250-254. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2013.03.015

Praneeth, J., & Naveen, N. (2017). Aluminium based metal matrix composites: A review of reinforcement; mechanical, wear properties. International journal for research in applied science & engineering technology, 5(10), 1232-1235. http://doi.org/10.22214/ijraset.2017.10178

Nicolais, L., Singh, H., & Dhindaw, B. K. (2012). Metal matrix composites: Aluminum. In L. Nicolais (Ed.), Wiley encyclopedia of composites. John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/9781118097298.weoc137

Tian, X. (2018). Preparation and forming technology of particle reinforced aluminum matrix composites. Materials Science and Advanced Composite Materials, 1(1), 501. https://dx.doi.org/10.18063/MSACM.V1I1.501

Govindan, K., & Raghuvaran, J. G. (2019). Mechanical properties and metallurgical characterization of LM25/ZrO2 composites fabricated by stir casting method. Matéria (Rio de Janeiro), 24(3). https://doi.org/10.1590/s1517-707620190003.0753

Prakash, J. U., Jebarose, J. S., Salunkhe, S., Gawade, S. R., Nasr, E. S. A., & Kamrani, A. K. (2023). Mechanical characterization and microstructural analysis of stir-cast aluminum matrix composites (LM5/ZrO2). Crystals, 13(8), 1220. https://doi.org/10.3390/cryst13081220

Pandiyarajan, R., Maran, P., Marimuthu, S., & Ganesh, K. C. (2017). Synthesis and characterization of zirconium dioxide particulate reinforced aluminium alloy metal matrix composite. Journal of Advanced Composites.

Dinesh, M., & Ravindran, R. (2016). Evaluation of mechanical and corrosive properties of aluminium AA7075 metal matrix composites. Journal of Applied Composites, 12(21). https://dx.doi.org/10.24297/JAC.V12I21.116

Mazahery, A., & Shabani, M. O. (2012). Nano-sized silicon carbide reinforced commercial casting aluminum alloy matrix: experimental and novel modeling evaluation. Powder technology, 217, 558-565. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.11.020

Selvababu, S., Ravikumar, G., & Mahendran, M. (2019). Investigation of mechanical properties of aluminium composites reinforced with silicon carbide. International journal of innovative technology and exploring engineering, 8(2S4), 350-353. https://dx.doi.org/10.35940/ijitee.B1213.1292S419

Mazahery, A., & Shabani, M. O. (2012). Characterization of cast A356 alloy reinforced with nano SiC composites. Transactions of nonferrous metals society of China, 22(2), 275-280. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(11)61171-0

Rajmohan, T., Palanikumar, K., & Ranganathan, S. (2013). Evaluation of mechanical and wear properties of hybrid aluminium matrix composites. Transactions of nonferrous metals society of China, 23(9), 2509-2517. https://doi.org/10.1016/s1003-6326(13)62762-4

Basavarajappa, S., Mohan, C. G., Mukund, K., Ashwin, M., & Prabu, M. (2006). Dry sliding wear behaviour of Al 2219/SiC/Gr hybrid metal matrix composites. Journal materials engineering and performance, 15(6), 668-674.

Prasad, D. S., Shoba, C., & Ramanaiah, N. (2014). Investigations on mechanical properties of aluminum hybrid composites. Journal of materials research and technology, 3(1), 79-85. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2013.11.002

Mohanavel, V., Rajan, K., & Kumar, S. S. (2018). Effect of silicon carbide reinforcement on mechanical and physical properties of aluminum matrix composites. Materials today: proceedings, 5(2), 11820-11826. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.01.089

Ranjbaran, M. M. (2010). Experimental investigation of fracture toughness in Al 356-SiCp aluminium matrix composite. American journal of scientific and industrial research, 1(3), 549-557. https://doi.org/10.5251/ajsir.2010.1.3.549.557

Esteve, J., Zambrano, G., Rincon, C., Martinez, E., Galindo, H., & Prieto, P. (2000). Mechanical and tribological properties of tungsten carbide sputtered coatings. Thin solid films, 373(1-2), 282-286. https://doi.org/10.1016/s0040-6090(00)01108-1

Krishna, A. R., Arun, A., Unnikrishnan, D., & Shankar, K. V. (2018). An investigation on the mechanical and tribological properties of alloy A356 on the addition of WC. Materials today: proceedings, 5(5), 12349-12355. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.02.213

Hegde, N. T., Pai, D., & Hegde, R. (2019). Heat treatment and mechanical characterization of LM-25/tungsten carbide metal matrix composites. Materials today: proceedings, 19, 810-817. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.08.136

Anand, P., Rajesh, D., Lenin, N., Balaji, V., & Raja, V. K. B. (2021). Enhancement of mechanical characterization of aluminum alloy with tungsten carbide metal matrix composite by particulate reinforcements. Materials today: proceedings. 46(9), 3690-3692. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.01.848

Arivukkarasan, S., Dhanalakshmi, V., & Stalin, B. (2018). Mechanical and tribological behaviour of tungsten carbide reinforced aluminum LM4 matrix composites. Journal of composite materials, 52(12), 1234-1242. https://doi.org/10.1080/02726351.2017.1331285

Khademian, M., Alizadeh, A., & Abdollahi, A. (2017). Fabrication and characterization of hot rolled and hot extruded boron carbide (B C) reinforced A356 aluminum alloy matrix composites produced by stir casting method. Transactions of the Indian institute of metals, 70(3), 601-608. https://doi.org/10.1007/s12666-016-0962-0

Vijaya Ramnath, B., Elanchezhian, C., Jaivignesh, M., Rajesh, S., Parswajinan, C., & Siddique Ahmed Ghias, A. (2014). Evaluation of mechanical properties of aluminium alloy-aluminaboron carbide metal matrix composites. Materials & Design, 58, 332-338. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.01.068

Shirvanimoghaddam, K., & Khayyam, H. (2016). Boron carbide reinforced aluminium matrix composite: Physical, mechanical characterization and mathematical modelling. Materials science and engineering: A, 658, 135-149. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.01.114

Sharma, D. K., Sharma, M., & Upadhyay, G. (2019). Boron carbide (B4C) reinforced aluminum matrix composites (AMCs). International journal of innovative technology and exploring engineering, 9(1), 2194-2203. https://doi.org/10.35940/ijitee.a4766.119119

Nie, C. Z., Gu, J. J., Liu, J. L., & Zhang, D. (2007). Production of boron carbide reinforced 2024 aluminum matrix composites by mechanical alloying. Materials transactions, 48(5), 990-995. https://doi.org/10.2320/matertrans.48.990

Downloads

Опубліковано

05-03-2025

Як цитувати

Ліхацький, Р., Ворон, М. ., Нарівський, А. ., Твердохвалов, В. ., Ліхацький, І. ., & Матвієць, Є. . (2025). АЛЮМОМАТРИЧНІ КОМПОЗИТИ НА ОСНОВІ ЛИВАРНИХ АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ З ОКСИДАМИ ТА КАРБІДАМИ: Procesi littâ, 2025, Vol 1 (159), 48-64. Процеси лиття, 159(1), 48–64. https://doi.org/10.15407/plit2025.01.048

Номер

Розділ

НОВІ ЛИТІ МАТЕРІАЛИ

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають

1 2 > >>