Ультразвуковые и микроскопические исследования алюмоматричного композита, армированного полыми керамическими микросферами

Решение проблемы оперативного неразрушающего контроля литых алюмоматричных композитов имеет большое практическое значение для совершенствования технологии их производства. Цель работы — ультразвуковые и микроскопические исследования перспективного алюмоматричного композита, полученного методом литья с механическим замешиванием упрочняющих полых керамических микросфер. Для исследования образцов с разной объемной долей пор и упрочняющих микросфер использовали методы оптической и сканирующей электронной микроскопии, гидростатического взвешивания, ультразвуковой эхо-метод. Показано, что насыщение алюминиевого сплава упрочняющими полыми микросферами, состоящими в основном из оксида алюминия, позволяет получить композит менее плотный, чем исходный сплав. Определяющая характеристика структуры материала, влияющая на его свойства, — суммарная объемная доля микропор и упрочняющих микросфер. Установлено, что в анализируемых образцах неоднородность распределения и средний размер пор и упрочняющих микросфер не влияют на скорости распространения ультразвуковых волн и упругие свойства. Плотность, скорости ультразвуковых волн, модуль Юнга и коэффициент Пуассона монотонно уменьшаются с ростом суммарной объемной доли микропор и полых микросфер. Сделан вывод: коэффициент Пуассона может применяться в качестве информативного параметра для экспресс-оценки качества композита. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования методики неразрушающего контроля качества создаваемых алюмоматричных композитов, армированных полыми керамическими микросферами.

1. Chak V., Chattopadhyay H., Dora T. A review on fabrication methods, reinforcements and mechanical properties of aluminum matrix composites / JMP. 2020. Vol. 56. P. 1059 – 1074. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.05.042

2. Wang Y., Zhang J. A review of the friction and wear behavior of particle-reinforced aluminum matrix composites / Lubricants. 2023. Vol. 11. Art. 317. DOI: 10.3390/lubricants11080317

3. Garg P., Jamwal A., Kumar D., et al. Advance research progresses in aluminium matrix composites: manufacturing and applications / JMR & T. 2019. Vol. 8. P. 4924 – 4939. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.06.028

4. Rohatgi P., Raman S., Majumdar B., Banerjee A. Ultrasonic techniques in evaluation of metal matrix particulate composites / Mat. Sci. Eng. A. 1990. Vol. 123. P. 89 – 97. DOI: 10.1016/0921-5093(90)90214-n

5. Bindumadhavan P., Wah H., Prabhakar O. Assessment of particle-matrix debonding in particulate metal matrix composites using ultrasonic velocity measurements / Mat. Sci. Eng. A. 2002. Vol. 323. P. 42 – 51. DOI: 10.1016/s0921-5093(01)01399-5

6. Mouchtachi A., El Guerjouma R., Baboux J. Nondestructive ultrasonic evaluation of fibrous metal matrix composites / Appl. Compos. Mater. 1994. Vol. 1. P. 387 – 393. DOI: 10.1007/bf00568043

7. Lee J.-H, Park Y.-Ch. Nondestructive characterization of metal matrix composite by ultrasonic measurement / Compos. Eng. 1995. Vol. 5. P. 1423 – 1431. DOI: 10.1016/0961-9526(95)00076-y

8. Gür C. H., Ogel B. Nondestructive microstructural characterization of aluminium matrix composites by ultrasonic techniques / Mater. Charact. 2001. Vol. 47. P. 227 – 233. DOI: 10.1016/s1044-5803(01)00174-7

9. Podymova N. B., Karabutov A. A. Combined effects of reinforcement fraction and porosity on ultrasonic velocity in SiC particulate aluminum alloy matrix composites / Compos. Part B. 2017. Vol. 113. P. 138 – 143. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.01.017

10. Toozandehjani M., Ostovan F., Shamshirsaz M., et al. Velocity and attenuation of ultrasonic wave in Al-Al2O3 nanocomposite and their correlation to microstructural evolution during synthesizing procedure / JMR & T. 2021. Vol. 15. P. 2529 – 2542. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.09.065

11. Erol A., Bilici V., Yönetken A. Characterization of the elastic modulus of ceramic-metal composites with physical and mechanical properties by ultrasonic technique / Open Chem. 2022. Vol. 20. P. 593 – 601. DOI: 10.1515/chem-2022-0180

12. Podymova N. B., Kalashnikov I. E., Kobeleva L. I. Laser-ultrasonic study of the local porosity of reactive cast aluminum matrix composites / Inorg. Mater. 2022. Vol. 58. P. 1512 – 1519. DOI: 10.1134/s0020168522150109

13. Kurashkin K. V., Mishakin V. V. Ultrasonic estimation of the residual stresses / Inorg. Mater. 2014. Vol. 50. P. 1506 – 1510. DOI: 10.1134/s0020168514150060

14. Carvajal L., Artigas A., Monsalve A., et al. Acoustic birefringence and Poisson’s ratio determined by ultrasound: tools to follow-up deformation by cold rolling and recrystallization / Mater. Res. 2017. Vol. 20. P. 304 – 310. DOI: 10.1590/1980-5373-mr-2016-1082

15. Mishakin V. V., Gonchar A. V., Kurashkin K. V., et al. On low-cycle fatigue of austenitic steel. Part I: changes of Poisson’s ratio and elastic anisotropy / IJES. 2021. Vol. 168. Art. 103567. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2021.103567

16. Kirikov S. V., Mishakin V. V., Klyushnikov V. A. Influence of microcracks on Poisson’s ratio during plastic deformation of austenitics / Tech. Phys. 2023. Vol. 68. P. S449 – S456. DOI: 10.1134/s1063784223900656

17. Romanov A. D., Romanova E. A., Chernyshov E. A., et al. Production of aluminum matrix composite material hardened with hollow ceramic microspheres / Metallurgist. 2021. Vol. 65. P. 320 – 325. DOI: 10.1007/s11015-021-01160-7

18. Chernyshov E. A., Romanov A. D., Kaverin B. S., et al. Development of technology for preparing composite material based on aluminum strengthened with hollow ceramic microspheres / Metallurgist. 2019. Vol. 62. P. 1255 – 1260. DOI: 10.1007/s11015-019-00783-1

19. Mays T. J. A new classification of pore sizes / Stud. Surf. Sci. Catal. 2007. Vol. 160. P. 57 – 62. DOI: 10.1016/s0167-2991(07)80009-7

20. Gonchar A. V., Mishakin V. V., Romanova E. A., et al. Determination of effective modules of elasticity of ceramic microsphers of aluminum matrix composite material / Mekh. Kompos. Mater. Konstr. 2023. Vol. 29. No. 3. P. 424 – 433 [in Russian]. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2023.29.03.08