Microstructure of hypereutectic silumin at high-speed solidification

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

The paper presents the results of a study of the microstructure of Al–20.1Si–0.2Fe and Al–21.3Si–0.8Mg–0.5Fe–0.3Mn–0.6Ni–1.4Cu alloys (the concentration values of the elements are given in wt%) obtained by ultrafast quenching from the melt. It is shown that the foil has a two-layer microstructure, which is formed as a result of changing the solidification conditions. Silicon liquation across the foil thickness is detected, leading to a reduced silicon concentration in the foil layer adjacent to the crystallizer and its precipitation at the layer boundary. A mechanism for the formation of a layered microstructure based on the locally nonequilibrium theory of crystallization is proposed. The nonequilibrium distribution coefficient is calculated at high-speed solidification taking into account the dependence of the volume and surface diffusion rate of silicon in the Al–Si melt on the Si concentration. A satisfactory relationship between the calculation results and experimental data is shown. An explanation is given for the dome-shaped boundary of layers with different microstructures based on an analysis of the morphology of the foil surface adjacent to the crystallizer.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

V. Shepelevich

Belarusian State University

Email: ol.gusakova@gmail.com
Белоруссия, Minsk, 220030

O. Gusakova

International Sakharov Environmental Institute of Belarusian State University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: ol.gusakova@gmail.com
Белоруссия, Minsk, 220070

S. Husakova

Belarusian State University

Email: ol.gusakova@gmail.com
Белоруссия, Minsk, 220030

Әдебиет тізімі

  1. Haizhi Y. An Overview of the Development of Al-Si-Alloy Based Material for Engine Applications // J. Mater. Eng. Perf. 2003. V. 12. No. 3. P. 288–297.
  2. Попова М.В., Прудников А.Н., Долгова С.В., Малюх М.А. Перспективные алюминиевые сплавы для авиационной и космической техники // Вестник Сибирского государственного индустриального ун-та. 2017. № 3(21). C. 18–23.
  3. Стеценко В.Ю., Радько С.Л., Харьков С.A., Ли Д.Х., Чой К.-Й. Повышение эффективности охлаждения отливок из силуминов при литье закалочным затвердеванием // Литье и металлургия. 2006. № 2–1. C. 127–128.
  4. Xu Y., Deng Y., Casari D., Mathiesen R.H., Liu X., Li Y. Growth kinetics of primary Si particles in hypereutectic Al-Si alloys under the influence of P inoculation // Exp. Model. J. Alloys Compounds. 2021. V. 854. P. 155323–155333.
  5. Liang S.S., Wen S.P., Xu J., Wu X.L., Gao K.Y., Huang H., Nie Z.R. The influence of Sc–Si clusters on aging hardening behavior of dilute Al–Sc–(Zr)–(Si) alloy // J. Alloys Compounds. 2020. V. 842. P. 155826.
  6. Барковa Р.Ю., Просвиряковa А.С., Хомутовa М.Г., Поздняковa А.В. Влияние содержания Zr и Er на структуру и свойства сплава Al–5Si–1.3Cu–0.5Mg // ФММ. 2021. Т. 122. № 6. С. 658–664.
  7. Петрова А.Н., Кленов А.И., Бродова И.Г., Распосиенко Д.Ю., Пильщиков А.А., Орлова Н.Ю. Влияние технологических факторов на структуру и свойства Al–Cu–Mg–Si-сплава, полученного селективным лазерным сплавлением // ФММ. 2023. Т. 124. № 10. С. 961–970.
  8. Бродоваa И.Г., Чикова О.А., Петрова А.Н., Меркушев А.Г. Cтруктурообразование и свойства эвтектического силумина, полученного селективным лазерным сплавлением // ФММ. 2019. Т. 120. № 11. С. 1204–1209.
  9. Matsuura K., Kudoh M., Kinoshita H., Takahashi H. Precipitation of Si particles in a super-rapidly solidified Al–Si hypereutectic alloy // Mater. Chem. Phys. 2003. V. 81. No. 2–3. P. 393–395.
  10. Cai Z., Zhang C., Wang R., Peng C., Wang K.Q.N. Effect of solidification rate on the coarsening behavior of precipitate in rapidly solidified Al–Si alloy // Progress in Natural Science: Materials International. 2016. V. 26. No. 4. P. 391–397.
  11. Kimura T., Nakamoto T., Mizuno M., Araki H. Effect of silicon content on densification, mechanical and thermal properties of Al-xSi binary alloys fabricated using selective laser melting // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 682. P. 593–602.
  12. Shimanski V.I., Evdokimovs A.I., Cherenda N.N., Astashinski V.M., Petrikova E.A. Structure and phase composition of hypereutectic silumin allou Al–20Si after compression plasma flows impact // J. Belarusian State University Phys. 2021. V. 2. P. 25–33.
  13. Xu C.L., Wang H.Y., Qiu F., Yang Y.F., Jiang Q.C. Cooling rate and microstructure of rapidly solidified Al–20 wt.% Si alloy // Mater. Sci. Eng. 2006. V. A417. P. 275–280.
  14. Uzun O., Karaaslan T., Gogebakan M., Keskin M. Hardness and microstructural characteristics of rapidly solidified Al–8–16 wt.%Si alloys // J. Alloys Compounds. 2004. V. 376. P. 149–157.
  15. Li Y., Jiang T., Wei B., Xu B., Xu G., Wang Z. Microcharacterization and mechanical performance of an Al–50Si alloy prepared using the sub-rapid solidification technique // Mater. Letters. 2020. V. 263. P. 127287.
  16. Шепелевич В.Г., Гусакова О.В., Александров В.И., Стародумов И.О. Фазовый состав заэвтектического силумина при высокоскоростном затвердевании // Журнал Белорусского государственного ун-та. Физика. 2019. № 2. С. 96–104.
  17. Gusakova O., Shepelevich V., Alexandrov D.V., and Starodumov I.O. Formation of the microstructure of rapidly solidified hypoeutectic Al–Si alloy // Eur. Phys. J. Special Topics. 2020. V. 229. P. 417–425.
  18. Gusakova O. Chemically partitionless crystallization in near-eutectic rapidly solidified Al–12.6Si–0.8Mg–0.4Mn–0.7Fe–0.9Ni–1.8Cu alloy // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2023. V. 232(8). P. 1281–1291.
  19. Гусакова О.В., Гусакова С.В., Шепелевич В.Г. Влияние скорости охлаждения расплава на микроструктуру сплава Al–Si легированного Mg, Mn, Fe, Ni и Сu // ФММ. 2022. Т. 123. № 5. С. 533–540.
  20. Калиниченко A.С., Кривошеев Ю.К. Определение глубины переохлаждения расплава и характера структурообразования при закалке из жидкого состояния // Литье и металлургия. 2001. Т. 3. С. 60–65.
  21. Соболев С.Л. Процессы переноса и бегущие волны в локально-неравновесных системах // Успехи физ. наук. 1991. Т. 161. № 3. С. 5–29.
  22. Sobolev S.L. Effects of Solute Diffusion on Rapid Solidification of Alloys // Phys. Stat. Sol. (a). 1996. V. 156. P. 293–303.
  23. Sobolev S.L. Diffusion-stress coupling in liquid phase during rapid solidification of binary mixtures // Phys. Letters A. 2014. V. 378 (5–6). P. 475–479.
  24. Галенко П.К. Модель высокоскоростного затвердевания как проблема неравновесных фазовых переходов // Вестник Удмуртского ун-та Физика. 2005. Т. 4. С. 61–94.
  25. Галенко П.К., Херлах Д.М. Бездиффузионный рост кристаллической структуры при высокоскоростном затвердевании эвтектической бинарной системы // Вестник Удмуртского ун-та Физика. 2006. Т. 4. С. 77–92.
  26. Марширов В.В., Марширова Л.Е. Численное моделирование затвердевания сплавов при интенсивном сопряженном теплообмене // Сибирский журнал индустриальной математики. 2013. Т. XVI. № 4. С. 56–63.
  27. Wei P.S., Yeh F.B. Graduate Heat Transfer Coefficient in Rapid Solidification of a Liquid Layer on a Substrate // J. Heat Transfer. 2000. V. 122. P. 793–900.
  28. Qin J., Li X., Wang J., Pan S. The self-diffusion coefficients of liquid binary M–Si (M=Al, Fe, Mg and Au) alloy systems by first principles molecular dynamics simulation // AIP Advances. 2019. V. 9. P. 035328.
  29. Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов. Справочное издание. М.: МИСИС, 2007. 283 с.
  30. Цветкова Е.М., Филонов М.Р., Аникин Ю.А., Язвицкий М.Ю., Шумаков А.Н. Исследование рельефа контактной и свободной поверхностей аморфных и нанокристаллических лент, полученных закалкой из расплава на вращающемся барабане-холодильнике // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 2011. № 9. С. 28–32.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. SEM images of the microstructure and Si distribution maps in the cross section of the foil: (a, b) Al–20Si–Fe alloy; (c, d) Al–20Si–M alloy.

Жүктеу (508KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. SEM image of the microstructure (a) and the distribution of Al and Si along the L–LI scanning line (b).

Жүктеу (114KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. SEM image of the microstructure of the surface of layer A of the Al–20Si–M alloy foil.

Жүктеу (333KB)
Метадеректер
5. Fig. 4. SEM images of the microstructure (a, g), silicon distribution map (b), Fe distribution along the L–LI scanning line (c) in layer B of the Al–Si–Fe alloy foil. a – polished surface; g – surface area after etching.

Жүктеу (543KB)
Метадеректер
6. Fig. 5. SEM images of the microstructure in layer B of the Al–Si–M alloy foil: (a) polished cross-sectional surface; (b, c) after etching.

Жүктеу (421KB)
Метадеректер
7. Fig. 6. SEM image of the microstructure in layer B (a) and element distribution maps (b–h) in the cross section of the Al–20Si–M alloy foil.

Жүктеу (916KB)
Метадеректер
8. Fig. 7. SEM image of the surface microstructure (a), orientation map in inverse pole figure colors (b) and distribution of grain cross-sections by size groups (c) of the Al–20Si–Fe alloy.

Жүктеу (414KB)
Метадеректер