Лазерно-ультразвуковое исследование локальной пористости алюмоматричных композиционных материалов, изготовленных методом реакционного литья

Один из наиболее критичных производственных дефектов литых металломатричных композиционных материалов — неравномерное распределение пористости по объему композита. Неравномерность приводит не только к локальному разупрочнению, но и играет ключевую роль в эволюции процесса повреждения при действии внешних нагрузок. В работе представлены результаты исследования локальной пористости дисперсно-упрочненных алюмоматричных композиционных материалов, изготовленных способом реакционного литья. Использовали лазерно-ультразвуковой метод, основанный на статистическом анализе распределения амплитуд обратнорассеянных широкополосных импульсов продольных ультразвуковых волн в композитах. Лазерное возбуждение и пьезоэлектрическую регистрацию ультразвука осуществляли с применением лазерно-ультразвукового преобразователя. Анализировали две серии образцов: упрочненных in situ синтезированными интерметаллидными частицами Al₃Ti в различной объемной концентрации и частицами Al₃Ti с добавлением наночастиц синтетического алмаза. Установлено, что для обеих серий распределение амплитуд обратнорассеянных ультразвуковых импульсов аппроксимируется Гауссовской функцией распределения, применимой для большого числа статистически независимых величин. Эмпирическая зависимость полуширины распределения от локальной пористости композитов аппроксимируется одной и той же близкой к линейной функцией независимо от размера и концентрации упрочняющих частиц. С ее помощью выведена расчетная формула для определения локальной пористости в исследуемых материалах. Полученные результаты могут быть использованы для обнаружения в литых металломатричных композитах потенциально опасных областей с повышенной пористостью.

1. Clyne T. W., Withers P. J. An introduction to metal matrix composites. — Cambridge: Cambridge University Press, 1995. — 528 p.

2. Mileiko S. T. Metal and ceramic based composites. — Amsterdam: Elsevier, 1997. — 691 p.

3. Чернышова Т. А., Курганова Ю. А., Кобелева Л. И., Болотова Л. К. Литые дисперсно-упрочненные алюмоматричные композиционные материалы: изготовление, свойства, применение. — Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2012. — 295 с.

4. Ibrahim I. A., Mohamed F. A., Lavernia E. J. Particulate reinforced metal matrix composites — a review / J. Mater. Sci. 1991. Vol. 26. P. 1137 – 1156. DOI: 10.1007/BF00544448

5. Lloyd D. J. Particle reinforced aluminium and magnesium matrix composites / Int. Mater. Rev. 1994. Vol. 39. P. 1 – 23. DOI: 10.1179/imr.1994.39.1.1

6. Kainer K. U. Basics of metal matrix composites. In: Metal matrix composites: custom-made materials for automotive and aerospace engineering / Kainer K. U. — Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2006. P. 1 – 54.

7. Чернышова Т. А., Михеев Р. С., Калашников И. Е., Акимов И. В., Харламов Е. И. Разработка и апробация композиционных материалов систем Al – SiC, Al – TiC в узлах трения нефтедобывающего оборудования / ФизХОМ. 2010. № 5. С. 78 – 86.

8. Miranda G., Buciumeanu M., Madeira S., Carvalho O., Soares D., Silva F. Hybrid composites — metallic and ceramic reinforcements influence on mechanical and wear behavior / Compos. Part B Eng. 2015. Vol. 74. P. 153 – 165. DOI: 10.1016/j.compositesb.2015.01.007

9. Болотова Л. К., Калашников И. Е., Кобелева Л. И., Быков П. А., Катин И. В., Колмаков А. Г., Подымова Н. Б. Структура и свойства композиционных материалов на основе сплава баббита Б83, полученных методом экструзии / ФизХОМ. 2017. № 2. С. 63 – 70.

10. Колмаков А. Г., Калашников И. Е., Болотова Л. К., Подымова Н. Б., Быков П. А., Катин И. В., Кобелева Л. И. Исследование свойств композиционных материалов на основе антифрикционного сплава Б83 / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 5. С. 38 – 45. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-5-38-45

11. Tjong S. C., Ma Z. Y. Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites / Mater. Sci. Eng. R. 2000. Vol. 29. P. 49 – 113. DOI: 10.1016/S0927-796X(00)00024-3

12. Varin R. A. Intermetallic-reinforced light-metal matrix in situ composites / Metall. Mater. Trans. A. 2002. Vol. 33. P. 193 – 201. DOI: 10.1007/s11661-002-0018-4

13. Wang X., Jha A., Brydson R. In situ fabrication of Al3Ti particle reinforced aluminium alloy metal-matrix composites / Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 364. P. 339 – 345. DOI: 10.1016/j.msea.2003.08.049

14. Чернышова Т. А., Болотова Л. К., Калашников И. Е. Кобелева Л. И., Быков П. А. Влияние тугоплавких наночастиц на модификацию структуры металломатричных композитов / Металлы. 2007. № 3. С. 79 – 84.

15. Мурашева В. В., Бурковская Н. П., Севостьянов Н. В. Способы получения высокотемпературных Nb – Si in situ композитов (обзор) / Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 2. С. 27 – 38.

16. Gangil N., Siddiquee A. N., Maheshwari S. Aluminium based in situ composite fabrication through friction stir processing: A review / J. Alloys. Compd. 2017. Vol. 715. P. 91 – 104. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.04.309

17. Campbell J. Porosity. In: Complete casting handbook. Metal casting processes, metallurgy, techniques and design. — Amsterdam: Butterworth-Heinemann, Elsevier, 2015. P. 341 – 415.

18. Rohatgi P., Alaraj S., Thakkar R., Daoud A. Variation in fatigue properties of cast A359-SiC composites under total strain controlled conditions: Effects of porosity and inclusions / Compos. Part A. 2007. Vol. 38. N 8. P. 1829 – 1841. DOI: 10.1016/j.compositesa.2007.04.005

19. Pineau A., Benzerga A., Pardoen T. Failure of metals I: Brittle and ductile fracture / Acta Mater. 2016. Vol. 107. P. 424 – 483. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.12.034

20. Vary A. Material property characterization. In: Nondestructive testing handbook. Ultrasonic testing / Moore P. O. — Columbus: ASTM, 2007. P. 365 – 431.

21. Mujica N., Cerda M., Espinoza R., Lisoni J., Lund F. Ultrasound as a probe of dislocation density in aluminum / Acta Mater. 2012. Vol. 60. P. 5828 – 5837. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.07.023

22. Lan B., Britton T., Jun T., Gan W., Hofmann M., Dunne F., Lowe M. Direct volumetric measurement of crystallographic texture using acoustic waves / Acta Mater. 2018. Vol. 159. P. 384 – 394. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.07.023

23. Мишакин В. В., Клюшников В. А. Исследование сварного соединения из стали 12Х18Н10Т акустическими и магнитными методами / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 6. С. 32 – 35.

24. Мишакин В. В., Серебряный В. Н., Гончар А. В., Клюшников В. А. Измерение характеристик текстуры конструкционной стали 15ЮТА акустическим методом при усталостном разрушении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 7. С. 30 – 34. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-7-30-34

25. Fitting D., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. — New York: Plenum Press, 1981. — 354 p.

26. Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. — М.: Наука, 1991. — 304 с.

27. Sundin S., Artymowicz D. Direct measurements of grain size in low-carbon steels using the laser ultrasonic technique / Metall. Mater. Trans. A. 2002. Vol. 33A. P. 687 – 691. DOI: 10.1007/s11661-002-0131-4

28. Ивочкин А., Карабутов A., Лямшев М., Пеливанов И., Рохатги У., Субудхи М. Измерение распределения скорости продольных акустических волн в сварных соединениях лазерным оптико-акустическим методом / Акуст. журн. 2007. Т. 53. № 4. С. 540 – 547.

29. Sarkar S., Moreau A., Militzer M., Poole W. Evolution of austenite recrystallization and grain growth using laser ultrasonics / Metall. Mater. Trans. A. 2008. Vol. 39A. P. 897 – 907. DOI: 10.1007/s11661-007-9461-6

30. Кожушко В., Палтауф Г., Кренн Х. Регистрация наносекундных оптико-акустических импульсов в стали / Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 2. С. 279 – 282.

31. Podymova N. B., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Kobeleva L. I. Laser-ultrasonic nondestructive evaluation of porosity in particulate reinforced metal-matrix composites / Ultrasonics. 2019. Vol. 99. P. 105959. DOI: 10.1016/j.ultras.2019. 105959

32. Karabutov A. A., Podymova N. B. Nondestructive porosity assessment of CFRP composites with spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses / J. Nondestruct. Eval. 2013. Vol. 32. P. 315 – 324. DOI: 10.1007/s10921-013-0184-x

33. Adler L., Rose J., Mobley C. Ultrasonic method to determine gas porosity in aluminum alloy castings: Theory and experiment / J. Appl. Phys. 1986. Vol. 59. P. 336-0347. DOI: 10.1063/1.336689