Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия:

В. Д. Валихов, инженер-исследователь лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов, эл. почта: valihov.snobls@gmail.com
И. А. Жуков, заведующий лабораторией нанотехнологий металлургии, докт. техн. наук
Н. И. Кахидзе, инженер-исследователь лаборатории нанотехнологий металлургии
Д. А. Ткачев, младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии

Методом механического замешивания получен и исследован композиционный материал на основе алюминиевого сплава системы Al – Si, упрочненный базальтовыми волокнами в количестве 1 и 2 % (мас.). Представлены результаты исследований структуры и фазового состава вводимых базальтовых волокон. Показано, что термообработка базальтовых волокон при температуре до 600 ^oC не приводит к изменению их фазового состава. Исследованы микроструктуры исходного литого сплава АК9 и армированного базальтовыми волокнами. Изучено влияние формируемой с введением базальтовых волокон структуры на физико-механические свойства сплава, выполнены фрактографические исследования поверхности разрушения образцов армированного сплава после испытаний на растяжение. Проведена теоретическая оценка механизмов упрочнения при введении базальтовых волокон в алюминиевый сплав АК9. Согласно результатам экспериментальных данных, введение волокон базальта в алюминиевую матрицу приводит к существенному увеличению механических характеристик относительно исходного сплава АК9: значения предела текучести и предела прочности повышаются от 40 до 55 %, а твердость — от 20 до 35 % в зависимости от массового содержания базальтовых волокон в сплаве.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания № FSWM-2020-0028. Исследования (оптическая и электронная микроскопия, испытания на растяжение, твердость и микротвердость, исследования фазового состава) выполнены на оборудовании Томского регионального центра коллективного пользования Национального исследовательского Томского государственного университета. Центр поддержан грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации 075-15-2021-693 (№ 13.ЦКП.21.0012).

1. Poznak A., Freiberg D., Sanders P. Automotive wrought aluminium alloys // Fundamentals of Aluminium Metallurgy. Elsevier, 2018. P. 333–386.
2. Rambabu P. et al. Aluminium alloys for aerospace applications // Aerospace Materials and Material Technologies. — Singapore : Springer Singapore, 2017. P. 29–52.
3. Javidani M., Larouche D. Application of cast Al – Si alloys in internal combustion engine components // International Materials Reviews. 2014. Vol. 59, No. 3. P. 132–158.
4. Robles Hernandez F. C., Herrera Ramírez J. M., Mackay R. Erratum to: Al – Si alloys: automotive, aeronautical, and aerospace applications // Al – Si Alloys. — Cham : Springer International Publishing, 2017. P. E1–E1.
5. Dong Z. Q. Effect of short T6 heat treatment on the thermal conductivity and mechanical properties of different casting processes Al – Si – Mg – Cu alloys // Metals. 2021. Vol. 11, Iss. 9. 1450.
6. Chelladurai S. J. S. et al. Investigation of mechanical properties and dry sliding wear behaviour of squeeze cast LM6 aluminium alloy reinforced with copper coated short steel fibers // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2018. Vol. 71, No. 4. P. 813–822.
7. Vorozhtsov S. et al. Influence the carbon nanotubes on the structure and mechanical properties of aluminum-based metal matrix composites // AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1772, Iss. 1. 030021.
8. Agureev L. E. et al. Development of heat resistant aluminum composite with minor addition of alumina nanofibers (NafenTM) // Inorganic Materials: Applied Research. 2020. Vol. 11, No. 5. P. 1045–1050.
9. Malaki M. et al. Advanced metal matrix nanocomposites // Metals. 2019. Vol. 9, No. 3. 330.
10. Adole O. et al. Fibre/matrix intermetallic phase formation in novel aluminium-basalt composites // Materials Letters. 2019. Vol. 239. P. 128–131.
11. Colombo C., Vergani L., Burman M. Static and fatigue characterisation of new basalt fibre reinforced composites // Composite Structure. 2012. Vol. 94, No. 3. P. 1165–1174.
12. Militky J., Kovacic V. Ultimate mechanical properties of basalt filaments // Textile Research Journal. 1996. Vol. 66, Iss. 4. P. 225–229.
13. Zhiming Y. et al. Investigation on mechanical properties and failure mechanisms of basalt fiber reinforced aluminum matrix composites under different loadin g conditions // Journal of Composite Materials. 2018. Vol. 52, No. 14. P. 1907–1914.
14. Sreenatha Reddy S., Dhanasekaran R. Effect of fly ash and basalt on wrought and cast aluminum alloy // Materials Today. 2018. Vol. 5, No. 13. P. 27112–27117.
15. Brainard Abraham C. et al. Basalt fibre reinforced aluminium matrix composites – A review // Materials Today. 2020. Vol. 21. P. 380–383.
16. Пат. 2758953 РФ. Устройство для смешивания расплавов легких металлов с микропорошками тугоплавких частиц и волокон / Ворожцов А. Б., Даммер В. Х., Архипов В. А., Жуков И. А. и др. ; заявл. 10.03.2021 ; опубл. 03.11.2021.
17. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — Введ. 01.01.1986.
18. ГОСТ 9450–76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. — Введ. 01.01.1977.
19. ГОСТ 9012–59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю. — Введ. 01.01.1960.
20. Wu Z. et al. Mineral fibres: basalt handbook of natural fibres. — Woodhead Publishing, 2020. P. 433–502.
21. Zhang L. et al. Formation of microstructure in Al – Si alloys under ultrasonic melt treatment // Light metals 2012. — Cham : Springer, 2012. P. 999–1004.
22. Boettinger W. J. Solidification microstructures: recent developments, future directions // Acta materialia. 2009. Vol. 57, Iss. 4. P. 941–971.
23. Mazahery A., Shabani M. O. Plasticity and microstructure of A356 matrix nano composites // Journal of King Saud University-Engineering Sciences. 2013. Vol. 25. No. 1. P. 41–48.
24. Kaptay G. Interfacial criterion of spontaneous and forced engulfment of reinforcing particles by an advancing solid/liquid interface // Metallurgical and Materials Transactions A. 2001. Vol. 32. No. 4. P. 993–1005.
25. Uhlmann D. R., Chalmers B., Jackson K. A. Interaction between particles and a solid-liquid interface // Journal of Applied Physics. 1964. Vol. 35, No. 10. P. 2986–2993.
26. Dai L. H., Ling Z., Bai Y. L. Size-dependent inelastic behavior of particle-reinforced metal – matrix composites // Compos. Sci. Technol. 2001. Vol. 61, No. 8. P. 1057–1063.
27. Fan C. et al. Microstructures and mechanical properties of BP/7A04 Al matrix composites // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019. Vol. 29, No. 10. P. 2027–2034.