Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия:

А. П. Хрусталев, старший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: tofik0014@gmail.com
И. А. Жуков, заведующий лабораторией нанотехнологий металлургии, докт. техн. наук
Е. С. Марченко, заведующий лабораторией сверхэластичных биоинтерфейсов, докт. физ.-мат. наук, доцент
А. Б. Ворожцов, проректор по научной и инновационной деятельности, заведующий лабораторией высокоэнергетических и специальных материалов, докт. физ.-мат. наук, профессор

В настоящее время ведут активные работы по получению и изучению новых легких сплавов, упрочненных неметаллическими частицами, для применения в различных отраслях про мышленности. Литейные технологии являются наиболее универсальным подходом получения легких сплавов. Высокую прочность наночастиц алмаза можно использовать для эффективного упрочнения металлической матрицы, когда небольшая добавка наночастиц обеспечивает повышение механических характеристик сплавов. Однако введение наночастиц в расплав затрудняется плохой смачиваемостью их поверхности, что приводит к агломерации и флота ции частиц на поверхности расплава. Внешние воздействия на металлический расплав в процессе литья позволяют повысить смачиваемость поверхности микро- и наночастиц, а также обеспечить их равномерное распределение. Проведены работы по получению и исследованию сплава системы Mg – Ca – Zn, дисперсно-упрочненного наночастицами алмаза. В качестве исходных материалов использованы чистый магний, металлический цинк, кальций и нанопорошок алмаза, полученный методом дето национного синтеза. Для получения лигатуры из предварительно подготовленной порошковой смеси Mg – 5 % наноалмаз применен метод ударно-волнового компактирования. Проведены исследования элементного, фазового состава, структуры и физико-механических свойств полученных сплавов после литья. Исследования структуры показали, что наночастицы алмаза оказывают модифицирующее воздействие на микроструктуру и позволяют измельчить средний размер зерна магниевого сплава. Измельчение зерна и введение частиц в магниевую матрицу позволили увеличить предел текучести, предел прочности и пластичность магниевого сплава при растяжении и сжатии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2021-1384).

1. Wang J., Chen Y., Chen Z., Llorca J., Zeng X. Deformation mechanisms of Mg – Ca – Zn alloys studied by means of micropillar compression tests. Acta Materialia. 2021. Vol. 217. 117151. DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117151
2. Papillon J., Salero P., Mercier F., Fabrègue D., Maire E. Compressive deformation behavior of dendritic Mg – Ca (– Zn) alloys at high temperature. Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 763. 138180. DOI: 10.1016/j.msea.2019.138180
3. Xu Z., Smith C., Chen S., Sankar J. Development and microstructural characterizations of Mg – Zn – Ca alloys for biomedical applications. Materials Science and Engineering: B. 2011. Vol. 176, No. 20. pp. 1660–1665. DOI: 10.1016/j.mseb.2011.06.008
4. Huskins E. L., Cao B., Ramesh K. T. Strengthening mechanisms in an Al – Mg alloy. Materials Science and Engineering: A. 2010. Vol. 527, No. 6. pp. 1292–1298. DOI: 10.1016/j.msea.2009.11.056
5. Dey A., Pandey K. M. Magnesium metal matrix composites – a review. Reviews on Advanced Materials Science. 2015. Vol. 42, No. 1. pp. 58–67.
6. Vijayabhaskar S., Rajmohan T. Experimental investigation and optimization of machining parameters in WEDM of nano-SiC particles reinforced magnesium matrix composites. Silicon. 2019. Vol. 11, No. 4. pp. 1701–1716. DOI: 10.1007/s12633-017-9676-0
7. Bettles C. J., Gibson M. A., Venkatesan K. Enhanced age-hardening behaviour in Mg – 4 wt. % Zn micro-alloyed with Ca. Scripta Materialia. 2004. Vol. 51. pp. 193–197. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.04.020
8. Horie T., Iwahori H., Awano Y., Matsui A. Creep properties of Mg – Zn alloy improved by calcium addition. Journal of Japan Institute of Light Metals. 1999. Vol. 49. pp. 272–276.
9. Nie J. F., Muddle B. C. Precipitation hardening of Mg – Ca (– Zn) alloys. Scripta Materialia. 1997. Vol. 37. pp. 1475–1481.
10. Oh J. C., Ohkubo T., Mukai T., Hono K. TEM and 3DAP characterization of an age-hardened Mg – Ca – Zn alloy. Scripta Materialia. 2005. Vol. 53. pp. 675–679.
11. Cai S., Lei T., Li N., Feng F. Effects of Zn on microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of Mg – Zn alloys. Materials Science and Engineering: C. 2012. Vol. 32, No. 8. pp. 2570–2577. DOI: 10.1016/j.msec.2012.07.042
12. Bakhsheshi-Rad H. R., Idris M. H., Abdul-Kadir M. R., Ourdjini A. et al. Mechanical and biocorrosion properties of quaternary Mg – Ca – Mn – Zn alloys compared with binary Mg – Ca alloys. Materials & Design. 2014. Vol. 53. pp. 283–292. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.06.055
13. Skolakova A., Lovasi T., Pinc J., Kacenka Z. et al. The effect of zinc and calcium addition on magnesium alloy. Manufacturing Technology. 2020. Vol. 20, No. 5. pp. 668–676. DOI: 10.21062/mft.2020.107
14. Malaki M., Xu W., Kasar A. K., Menezes P. L. et al. Advanced metal matrix nanocomposites. Metals. 2019. Vol. 9, Iss. 3. 330. DOI: 10.3390/met9030330
15. Watanabe Y. et al. Fabrication of Al-based composites by centrifugal mixed-powder method and their application for grinding wheels. Journal of Materials Engineering and Performance. 2019. Vol. 28. pp. 3852–3863. DOI: 10.1007/s11665-019-03917-3
16. Gong H. et al. Fabrication, biodegradation behavior and cytotoxicity of Mg-nanodiamond composites for implant application. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2015. Vol. 26, Iss. 2. pp. 1–9.
17. Dieringa H., Hort N. Magnesium-based metal matrix nanocomposites – processing and properties. TMS 2018 147th Annual Meeting & Exhibition. Supplemental Proceedings. 2018. pp. 679–691. DOI: 10.1007/978-3-319-72526-0_64
18. Khrustalyov A. P., Kozulin A. A., Zhukov I. A., Khmeleva M. G. et al. Influence of titanium diboride particle size on structure and mechanical properties of an Al – Mg alloy. Metals. 2019. Vol. 9. p. 1030. DOI: 10.3390/met9101030
19. Gromov A. A., Vorozhtsov S. A., Komarov V. F., Sakovich G. V. et al. Ageing of nanodiamond powder: Physical characterization of the material. Materials Letters. 2013. Vol. 91. pp. 198–201. DOI: 10.1016/j.matlet.2012.09.066
20. Vorozhtsov S., Vorozhtsov A., Kudryashova O., Zhukov I., Promakhov V. Structural and mechanical properties of aluminium-based composites processed by explosive compaction. Powder Technology. 2017. Vol. 313. pp. 251–259. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.03.027
21. Vorozhtsov S., Minkov L., Dammer V., Khrustalyov A. et al. Ex situ introduction and distribution of nonmetallic particles in aluminum melt: Modeling and experiment. JOM. 2017. Vol. 69. pp. 2653–2657. DOI: 10.1007/s11837-017-2594-1
22. Zeka B., Markoli B., Mrvar P., Medved J., Petric M. Suitability of moulding materials for Al – Li alloy casting. Materials and Technology. 2021. Vol. 55. pp. 311–316. DOI: 10.17222/mit.2020.208
23. Song M. Y., Kwak Y. J., Choi E. Hydrogen storage properties of Mg-graphene composites. Korean Journal of Metals and Materials. 2018. Vol. 56, No. 7. pp. 524–531.
24. Priyadarshi A., Khavari M., Subroto T., Prentice P. et al. Mechanisms of ultrasonic de-agglomeration of oxides through in-situ high-speed observations and acoustic measurements. Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 79. 105792. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2021.105792
25. Dalton D. A. et al. Effect of mass disorder on the lattice thermal conductivity of MgO periclase under pressure. Scientific Reports. 2013. Vol. 3, Iss. 1. 2400. DOI: 10.1038/srep02400
26. Li S. et al. A review on thermal conductivity of magnesium and its alloys. Journal of Magnesium and Alloys. 2020. Vol. 8, Iss. 1. pp. 78–90.
27. Vostrý P., Stulíková I., Smola B., Riehemann W., Mordike B. L. Structure and stability of microcrystalline Mg – Ca alloy. Materials Science and Engineering: A. 1991. Vol. 137. pp. 87–92. DOI: 10.1016/0921-5093(91)90321-D
28. Naik S. N., Walley S. M. The Hall-Petch and inverse Hall-Petch relations and the hardness of nanocrystalline metals. Journal of Materials Science. 2020. Vol. 55, No. 7. pp. 2661–2681. DOI: 10.1007/s10853-019-04160-w
29. Dieringa H., Katsarou L., Buzolin R., Szakács G. et al. Ultrasound assisted casting of an AM60 based metal matrix nanocomposite, its properties, and recyclability. Metals. 2017. Vol. 7. p. 388. DOI: 10.3390/met7100388
30. Khrustalyov A. P., Garkushin G. V., Zhukov I. A., Razorenov S. V., Vorozhtsov A. B. Quasi-static and plate impact loading of cast magnesium alloy ML5 reinforced with aluminum nitride nanoparticles. Metals. 2019. Vol. 9. p. 715. DOI: 10.3390/met9060715
31. Promakhov V. V., Khmeleva M. G., Zhukov I. A., Platov V. V. et al. Influence of vibration treatment and modification of A356 aluminum alloy on its structure and mechanical properties. Metals. 2019. Vol. 9. p. 87. DOI: 10.3390/met9010087