Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Исследована структура кристаллической структуры, морфология и фазового состав исходных порошков вольфрама, наноалмаза и лигатуры Al-Al3Er. Частицы в порошке вольфрама имеют правильную сферическую форму, а их средний размер составляет 200 нм. В порошке наблюдаются микрочастицы вольфрама, размер которых достигает 10 мкм, а общее объёмное содержание не превышает 10 %. Поверхность лигатуры Al-Al3Er является однородной с равномерным распределение частиц по поверхности. Алюминий равномерно распределен в образце. Эрбий в основном распределяется на границах фаз с преимущественно бимодальным распределением частиц по размеру, средний размер крупных частиц составил 39.3 мкм, средний размер мелких частиц 1.4 мкм. Матрица лигатуры по химическому составу является алюминий содержащей, по границам зерен которой распределены частицы, содержащие эрбий. С использованием различных методов проведён синтез лигатур, содержащих наночастицы алюминия, вольфрама и Al3Er. Лигатура Al3Er синтезирована методом гидрирования-дегидрирования с использованием в качестве исходных материалов микропорошка алюминия и металлического эрбия. Лигатуры, содержащие наночастицы алмаза и вольфрама синтезированы методом порошковой металлургии. Для синтеза лигатур были получены порошковые смеси Al-5 масс.% C и Al-5 масс.%W для равномерного распределения наночастиц в алюминиевой матрице. Деагломерация наночастиц осуществлялась с использованием механического смесителя, а процесс состоял из двух этапов: смешивание наночастиц в петролейном эфире и стеариновой кислоте и добавление микропорошка алюминия с последующим смешиванием в течении 15 минут с последующей сушкой в вакуумной печи и просеиванием. Методом рентгенофлуоресцентного анализа исследован фазовый состав порошка алмаза, который показал содержание углерода 93 %, кислорода – 5.93 %. Структура нанопорошка алмаза представляет собой равноосные частицы сферической формы средний размер которых составляет 7 нм. Параметр кристаллической решетки наноразмерного алмаза составил а = 3.6248 Å. Исследовано влияние механического перемешивания, ультразвуковой и вибрационной обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства сплава АМг5. Ультразвуковая обработка способствовала рафинированию расплава и снижению среднего размера зерна сплава АМг5 с 490 до 246 мкм. Кроме этого ультразвуковая обработка позволила снизить пористость сплава АМг5 с 9 до 4 %. За счёт эффектов дегазации и модифицирования структуры сплава, использование ультразвуковой обработки является наиболее перспективным методом обработки для получения дисперсно-упрочнённых наночастицами сплавов алюминий-магний. Механическая обработка расплава АМг5 привела к увеличению пористости до 29 %. Вибрационная обработка позволяет снизить средний размер зерна сплава АМг5 с 490 до 310 мкм, однако при этом увеличивается пористость сплава с 9 до 15 %. В структуре сплава наблюдаются отдельные крупные поры размером до 50 мкм. Определено оптимальное содержание наночастиц в сплаве алюминия-магний. Введение небольшого (до 0.2 масс.%) наночастиц не приводит к значительному изменению среднего размера зерна сплава АМг5 и снижению плотности. Дальнейшее увеличение, вплоть до 1 масс.% наночастиц не оказывает модифицирующего воздействия на структуру сплава АМг5, средний размер которого составляет около 250 мкм. Увеличение содержания наночастиц приводит к интенсивному снижению плотности с 2.68 до 2.34 г/см3. Исследования микроструктуры, полученных в результате экспериментов по определению оптимального содержания наночастиц в сплаве алюминия-магний, показали, что введение наночастиц более 0.8 масс.% приводит к увеличению порового пространства в алюминиевой матрице, а также агломерации наночастиц, из-за чего происходит снижение плотности сплава. Наиболее оптимальным является использование количества наночастиц не превышающем 0.8 масс.%. Исследовано влияние механического перемешивания, ультразвуковой и вибрационной обработки на структуру, фазовый состав и распределение наночастиц в объёме сплава алюминий-магний. Наночастицы вольфрама не оказывают модифицирующего воздействия на структуру сплава АМг5. Структура сплавов АМг5 достаточно однородная с равноосными зёрнами. В структуре сплавов присутствуют поры, однако пористость сплавов не превысила 5 %. В сплаве, содержащем наночастицы вольфрама наблюдались тёмные включения, которые состоят из вольфрама, агломерированного из-за выдавливания наночастиц фронтом кристаллизации при охлаждении и затвердевании расплава. Общее объёмное количество таких включений не в сплаве АМг5-W не превышает 1 %. По результатам исследования структуры сплавов АМг5-W установлено, что в структуре сплава присутствуют включения пор, размером не более 1 мкм в которых возможно присутствие отдельных частиц вольфрама, которые появляются в них из-за влияния фронта кристаллизации, который вытесняет их в газовые полости сплава. Картирование по элементам на растровом электронном микроскопе показало, что вольфрам распределён равномерно в сплаве АМг5-W. Проведены исследования Введение 0.2 масс.% наночастиц Al3Er не оказывает модифицирующего воздействия на структуру алюминиевого сплава АМг5. Зерна представляют собой относительно равноосные структурные элементы без видимой направленности к зоне, перпендикулярной стенке кокиля. Исследованный с использованием рентгенофлуоресцентного анализа элементный состав, показал наличие эрбия в сплаве АМг5- Al3Er в количестве 0,1477 мас.%. Введение наночастиц алмаза не оказывает модифицирующего воздействия на микроструктуру сплава АМг5, средний размер зерна которого увеличивается с 153 до 162 мкм. Ультразвуковая и вибрационная обработка расплава позволяют получить однородную структуру слитка. При этом выявить наноалмаз в структуре не удается из за малого размера частиц и содержания (0.2 масс.%). Исследовано влияния наночастиц вольфрама, алмаза и Al3Er на механические свойства дисперсно-упрочнённых сплавов АМг5. Введение 0.5 масс.% наночастиц вольфрама в алюминиевый сплав АМг5 привело к увеличению предела текучести с 52 до 79 МПа и пластичности с 1.9 до 5.5 %. Также наблюдалось увеличение предела прочности алюминиевой матрицы с 140 до 155 МПа. Введение наночастиц вольфрама также привело к увеличению твёрдости и микротвёрдости сплава АМг5 с 58 до 63 HB и с 67 до 85 HV соответственно. Выявлено, что доминирующим механизмом увеличения механических свойств сплава АМг5 при введении наночастиц вольфрама, является механизм Орована. Разрушение сплава АМг5-W имеет явно выраженное разрушение по вязкому транскристаллитному механизму. На поверхности дендритов отсутствуют частицы вольфрама и их агломераты, что свидетельствует о малом количестве упрочнителей, находящихся в микропорах сплава. Введение 0.2 масс.% частиц Al3Er в алюминиевый сплав АМг5 незначительно увеличивает микротвёрдость и твёрдость. Растяжение полученных сплавов показало, что введение частиц Al3Er не приводит к увеличению предела текучести сплава АМг5, который составил 57 МПа по сравнению с исходным сплавом, предел текучести которого составил 52 МПа. Введение 0,2 мас.% частиц Al3Er привело к увеличению предела прочности сплава с 140 до 156 МПа. Также выявлено значительное повышение пластичности сплава АМг5 после введения частиц Al3Er с 1,9 до 12,2 %. Сплав АМг5-Al3Er имеет равномерную поверхность разрушения, полученную согласно вязкому механизму, исключая зоны, перенасыщенные эрбием, которые не позволяет эффективно использовать металлическую матрицу в процессе деформации сплава. Введение наночастиц алмаза позволило увеличить микротвёрдость сплава АМг5 с 75 до 88 HV, но не привело к увеличению твёрдости, которая составила 71 HB. Сплав АМг5 без добавления наночастиц алмаза имеет больший предел текучести при меньшем значении предела прочности и относительном удлинении. У сплава с частицами значение предела прочности выше в 1.5 раза при больших в 2 раза показателях относительного удлинения (пластичности). Кривые имеют одинаковую тенденцию к протеканию процесса деформирования. Стадия равномерного удлинения заметно преобладает над стадией неравномерного удлинения.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Получены дисперсно-упрочнённые сплавы на основе АМг5, содержащие от 0 до 0,8 масс.% наночастиц вольфрама и от 0.2 до 0.6 масс.%:наночастиц алмаза. В качестве исходного использовали сплав АМг5 (Al-95 мас.%, Mg-5 мас.%). Исходные сплавы АМг5 были получены при аналогичных параметрах литья без введения наночастиц. Исследована структура сплавов АМг5, с различным содержанием наночастиц вольфрама. Установлено, что структура исходного сплава АМг5 представляет собой равноосные зерна со средним размером 180 мкм. Введение 0,3 и 0,5 мас.%W не приводит к существенному уменьшению среднего размера зерна, который составил 164 и 149 мкм соответственно. Однако увеличение содержания наночастиц W в сплаве АМг5 до 0,8 мас.% приводит к уменьшению среднего размера зерна до 95 мкм. Введение 0,3 мас.%W не привело к существенному изменению структуры по сравнению с исходным сплавом. Увеличение содержания W до 0,5 мас.% приводит к изменению структуры, в частности наблюдаются отдельные частицы W и их агломераты, которые располагаются в объеме зерен и межграничных областях. Увеличение содержания W до 0,8 мас. % привело к значительному увеличению наночастиц и их агломератов в объеме и на границах зерен. В структуре сплава АМг5-0,8W присутствуют частицы неправильной формы размером до 10 мкм, а также включения в виде «иглы» толщиной менее 500 нм и длиной до 10 мкм. Интерметаллические включения игольчатой формы представляют собой Al5W. Образование фазы Al12W при затвердевании привело к измельчению структуры алюминиевого сплава. Исследована структура сплавов АМг5, с различным содержанием наночастиц алмаза. Введение 0.2 масс.% наноалмаза с ультразвуковой обработкой позволило существенно снизить средний размер зерна сплава АМг5 с 209±24 до 159±10 мкм. Введение 0.4 масс.% наночастиц алмаза также позволило снизить средний размер зерна сплава АМг5 с 209±24 до 165±18 мкм. Введение в сплав АМг5 0.6 масс.% наночастиц алмаза снизило средний размер зерна с 209±24 до 149±8 мкм. Введение наночастиц алмаза оказывает модифицирующее воздействие на микроструктуру сплава АМг5, однако увеличение его содержание не приводит к существенному изменению размера зерна. Исследовано влияние механических свойств и определены основные механизмы деформирования и разрушения дисперсно-упрочнённых сплавов АМг5 в зависимости от содержания наночастиц вольфрама. Введение 0,3 мас. % наночастиц W приводит к повышению твердости с 57 до 64 HB, микротвердости с 68 до 71 HV, предела текучести с 80 до 85 МПа и пластичности с 5,2 до 6,4 %. Введение 0,5 мас. % наночастиц W привело к повышению твердости с 64 до 69 HB, предела прочности при растяжении со 164 до 185 МПа и пластичности с 6,4 до 8,5 %. Увеличение содержания наночастиц W до 0,8 мас.% позволило повысить твердость с 69 до 75 HB, микротвердость с 73 до 81 HV, предел текучести с 79 до 91 МПа, предел прочности при растяжении с 185 до 194 МПа, пластичность от 8,5 до 10,3%. Доминирующим механизмом повышения механических свойств является механизм Орована, обусловленный дисперсным упрочнением наночастицами W. Исследовано влияние механических свойств и определены основные механизмы деформирования и разрушения дисперсно-упрочнённых сплавов АМг5 в зависимости от содержания наночастиц алмаза. Введение 0.2 масс.% наночастиц алмаза позволило увеличить предел текучести с 57 до 69 МПа, предел прочности с 155 до 200 МПа и пластичность 11 до 18 %. Увеличение наночастиц алмаза до 0.4 масс.% привело к незначительному повышению предела текучести с 57 до 71 МПа, и пластичности с 11 до 19 % без изменения предела прочности. Содержание наночастиц алмаза в количестве 0.6 масс.% позволяет увеличить предел текучести до 74 МПа, но при этом происходит снижение предела прочности и пластичности до 192 и 15 % соответственно по сравнению со сплавами с меньшим содержанием упрочняющих частиц. Увеличение механических характеристик сплава АМг5, содержащего наночастицы алмаза обусловлено измельчением зерназа счет модифицирования структуры который составил 9,63 МПа. Дополнительный вклад в увеличение механических свойств вносит упрочнение металлической матрицы алюминиевого сплава АМг5 наночастицами алмаза по механизму Орована. Одновременное увеличение предела текучести, прочности и пластичности связано с перераспределением нагрузки в матрице, за счёт введения и распределения наночастиц. Проведена деформационная обработка сплавов АМг5, содержащих наночастицы Al3Er и алмаз. Проведение экспериментальных работ позволило разработать режим деформационной обработки полученных сплавов в состоянии предварительного нагрева слябов, которые помещались в муфельную печь, разогретую до 300 °С, на 30 минут. Деформационная обработка сплава АМг5-Al3Er привела к формированию структуры с бимодальным распределением зёрен по размерам. В отличие от исходного сплава, в зёрнах сплава АМг5-Al3Er угол разориентации превышает 15°, что свидетельствует о влиянии интерметаллических частиц, которые инициируют возникновение более дефектной структуры. Частицы Al3Er распределяются по границам зерна и преимущественно скапливаются в зоне интерметаллических включений Al3Mg. Встречаются и отдельные частицы Al3Er, размер которых не превышает 1 мкм. Деформационная обработка сплавов АМг5 приводит к существенному изменению картины деформации алюминиевых сплавов, что приводит к увеличению предела текучести, предела прочности и пластичности сплава АМг5 с 63 до 115 МПа, с 170 до 295 МПа и с 15 до 41 % соответственно. Деформационная обработка сплава АМг5-Al3Er не позволяет повысить предел текучести по сравнению с исходным сплавом, за счёт малого количества упрочняющих частиц (0.07 об.%) по сравнению со значительным измельчением зерна матрицы и большим количеством внесённых дефектов в кристаллическую структуру. Несмотря на это, частицы Al3Er позволяют повысить пластичность деформированного сплава АМг5 с 41 до 45 %. Деформационная обработка позволила более равномерно распределить частицы Al3Er в алюминиевой матрице по сравнению с литым сплавом, что способствовало увеличению его пластичности. Деформационная обработка сплава АМг5-0.2 масс.% наночастиц алмаза при 300 °С с суммарной степенью пластической деформации 0,8 привела к формированию новой зеренной структуры – отличной от исходной, с вытягиванием зерен вдоль направления деформации. Размер зерен в продольном и поперечном направлениях составляет 60 и 5 мкм, соответственно. Введение 0.2 масс.% наночастиц алмаза позволило повысить механические свойства сплава АМг5 после деформационной обработки, включая редел текучести с 308 до 343 МПа, предел прочности с 386 до 427 МПа и пластичность с 11 до 12 %. Полученные результаты представлены на международных конференциях ISEM-2021 (Токио, Япония) с докладом «Investigation of structure and mechanical properties of the AA5056 alloy reinforced with tungsten nanoparticles» [https://www.tsu.ru/short_news/tgu-prezentoval-novye-splavy-i-nanomaterialy-na-konferentsii-hems-2021/]; TMS-2022 (Анахайм, Калифорния, США) с докладом «Influence of tungsten nanoparticles on the structure and mechanical behavior of AA5056 under quasi-static loading»; МНСК-2022 (Новосибирск, Россия) с докладом «Влияние наночастиц вольфрама на механические свойства сплава АМг5», а также XI всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, Россия) с докладом «Структура и механические характеристики сплава АМг5, упрочнённого наночастицами вольфрама». Опубликована 1 статья в журнале «Light Metals», входящего в международную базу цитирования Scopus. Принята к публикации 1 статья в журнал Metals (MDPI), входящего в международные базы цитирования Scopus и Web of Science.