Выпуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, выпуск 4 (2020)

Роль технологического процесса в структурных характеристиках квазикристаллического сплава Al–Fe–Cr

А. В. Бякова$^1$, А. А. Власов$^1$, А. А. Щерецкий$^2$, А. И. Юркова$^3$

$^1$Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Академика Крижановского, 3, 03142 Киев, Украина
$^2$Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 34/1, 03142 Киев, Украина
$^3$Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», проспект Победы, 37, 03056 Киев, Украина

Получена 22.06.2020; окончательный вариант — 07.10.2020 Скачать PDF logo PDF

Аннотация
В работе сосредоточено внимание на важной роли технологического подхода с точки зрения его влияния на формирование структуры, реакции на термическую обработку и механическое поведение квазикристаллического сплава Al–Fe–Cr формульного состава Al94Fe3Cr3. Несколько видов полупродуктов и массивных материалов были изготовлены из этого сплава с применением методов быстрой кристаллизации путём спиннингования расплава, распыления порошка и консолидации порошка в процессе горячей экструзии и холодного газодинамического напыления соответственно. Все полупродукты и массивные материалы содержали наноразмерные квазикристаллические частицы икосаэдрической фазы (i-фазы), внедрённые в алюминиевую матрицу, хотя количество квазикристаллов и другие структурные параметры отличались в зависимости от применённого метода получения материала, в частности в сравнении с распространённым в теперешнее время методом горячей экструзии. Использование техники холодного газодинамического напыления обеспечивало значительные преимущества в сохранении квазикристаллических частиц, содержащихся в исходном порошке. Решающая роль наноразмерных квазикристаллических частиц в придании структурных преимуществ материала и комбинации исключительно высокой прочности и пластичности тройного сплава Al–Fe–Cr была установлена путём исследования эволюции механических свойств под воздействием нагрева. С этой целью влияние нагрева на эволюцию структуры и механических свойств каждого вида материала из сплава Al94Fe3Cr3 было исследовано и обсуждено с учётом классических механизмов упрочнения. В обсуждении использовали ряд механических характеристик, включая микротвёрдость HV, границу текучести σy, модуль Юнга E и характеристику пластичности δH$/$δA, которые определяли техникой индентирования. Полученные результаты засвидетельствовали, что прочностные свойства (HV, σy, E) и характеристика пластичности (δH$/$δA) материала, полученного методом холодного газодинамического напыления, намного превышают эти характеристики для материала, изготовленного используемым в настоящее время методом горячей экструзии. Важно, что сплав Al94Fe3Cr3, полученный методом холодного газодинамического напыления, демонстрировал почти стабильные величины механических характеристик, по меньшей мере, до 350 °C, свидетельствуя о возможности его потенциального применения в инженерной практике в условиях средних рабочих температур.

Ключевые слова: квазикристаллы, алюминиевый сплав, спиннингование расплава, распыление порошка, холодное газодинамическое напыление, микроструктура, механические свойства.

Citation: O. V. Byakova, A. O. Vlasov, O. A. Scheretskiy, and O. I. Yurkova, The Role of Technological Process in Structural Performances of Quasi-Crystalline Al–Fe–Cr Alloy, Progress in Physics of Metals, 21, No. 4: 499–526 (2020); doi: 10.15407/ufm.21.04.499

Цитированная литература (92)  
  1. M.-G. Barthes-Labrousse and J.-M. Dubois, Philos. Mag., 88, Nos. 13–15: 2217 (2008). https://doi.org/10.1080/14786430802023036
  2. J.-M. Dubois, E. Belin-Ferré, and M. Feuerbacher, Complex Metallic Alloys: Fundamentals and Applications (Eds. J.-M. Dubois and E. Belin-Ferré) (Weinheim: Wiley-Vch Verlag: 2011), p. 1.
  3. J.-M. Dubois, Chem. Soc. Rev., 41, No. 20: 6760 (2012). https://doi.org/10.1039/C2CS35110B
  4. D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias, and J.W. Cahn, Phys. Rev. Lett., 53, No. 20: 1951 (1984). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.1951
  5. D. Shechtman and I.A. Blech, Metall. Trans. A, 16, No. 6: 1005 (1985). https://doi.org/10.1007/BF02811670
  6. L. Bendersky, Phys. Rev. Lett., 55, No. 14: 1461 (1985). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.55.1461
  7. A.-P. Tsai, A. Inoue, and T. Masumoto, Jpn. J. Appl. Phys., 26, No. 9: L1505 (1987). https://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.26.L1505/meta
  8. A.-P. Tsai, A. Inoue, and T. Masumoto, Mater. Trans., JIM, 30: 463 (1989). https://doi.org/10.2320/matertrans1989.30.463
  9. Z.M. Stadnik, Physical Properties of Quasicrystals (Berlin: Springer-Verlag: 1999).
  10. L.I. Adeeva and A.L. Borisova, Phys. Chem. Solid St., 3, No. 3: 454 (2002) (in Russian).
  11. S Takeuchi, Quasicrystals (Tokyo: Sangyo Tosho: 1993), p. 125.
  12. J.-M. Dubois, An Introduction to Structure, Physical Properties and Application of Quasicrystalline Alloys (Eds. J.-B. Suck, M. Schreiber, and P. Hausler) (Berlin: Springer Verlag: 1998), p. 392.
  13. H Tanaka and T. Fujiwara, Structure and Properties of Aperiodic Materials (Eds. Y. Kawazoe, Y. Waseda) (Berlin: Springer-Verlag: 2003) p. 1.
  14. E. Hornbogen and M. Shandl, Mater. Res. Adv. Tech., 83, No. 2: 128 (1992).
  15. J.-M. Dubois, S.S. Kang, and Y. Massiani, J. Non Cryst. Solids, 153–154: 443 (1993). https://doi.org/10.1016/0022-3093(93)90392-B
  16. S.S. Kang, J.M. Dubois, and J. von Stebut, J. Mater. Res., 8, No. 10: 2471 (1993). https://doi.org/10.1557/JMR.1993.2471
  17. K. Urban, M. Feuerbacher, and M. Wollgarten, MRS Bull., 22, No. 11: 65 (1997). https://doi.org/10.1557/S0883769400034461
  18. A. Rüdiger and U. Köster, Mater. Sci. Eng. A, 294–296: 890 (2000). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01037-6
  19. J.-M. Dubois, P. Brunet, W. Costin, and A. Merstallinger, J. Non-Cryst. Solids, 334–335: 475 (2004). https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2003.12.027
  20. S. Polishchuk, P. Boulet, A. Mézin, M.-C. de Weerd, S. Weber, J. Ledieu, J.-M. Dubois, and V. Fournée, J. Mater. Res., 27, No. 5: 837 (2012). https://doi.org/10.1557/jmr.2011.415
  21. J.-M. Dubois, S. S. Kang, and J. Von Stebut, J. Mater. Sci. Lett., 10, No. 9: 537 (1991). https://doi.org/10.1007/BF00726930
  22. J.E. Shield, J.A. Campbell, and D.J. Sordelet, J. Mater. Sci. Lett., 16, No. 24: 2019 (1997). https://doi.org/10.1023/A:1018544313643
  23. M.F. Besser and T. Eisenhammer, MRS Bull., 22, No. 11: 59 (1997). https://doi.org/10.1557/S088376940003445X
  24. T. Duguet, V. Fournée, J.-M. Dubois, and T. Belmonte, Surf. Coat. Technol., 205, No. 1: 9 (2010). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.05.030
  25. L. Aloui, T. Duguet, F. Haidara, M.-C. Record, D. Samélor, F. Senocq, D. Mangelinck, and C. Vahlas, Appl. Surf. Sci., 258, No. 17: 6425 (2012). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.03.053
  26. A. Inoue, M. Watanabe, H.M. Kimura, F. Takahashi, A. Nagata, and T. Masumoto, Mater. Trans. JIM, 33, No. 8: 723 (1992). http://doi.org/10.2320/matertrans1989.33.723
  27. A. Inoue, Nanostruct. Mater., 6, Nos. 1–4: 53 (1995). https://doi.org/10.1016/0965-9773(95)00029-1
  28. A. Inoue, Prog. Mater. Sci., 43, No. 5: 365 (1998). https://doi.org/10.1016/S0079-6425(98)00005-X
  29. D.J. Sordelet, M.F. Besser, and J.L. Logsdon, Mater. Sci. Eng. A, 255, Nos. 1–2: 54 (1998). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)00778-3
  30. X. Guo, G. Zhang, W. Li, Y. Gao, H. Liao, and C. Coddet, Appl. Surf. Sci., 255, No. 6: 3822 (2009). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.10.041
  31. B.N. Mordyuk, M.O. Iefimov, K.E. Grinkevych, A.V. Sameljuk, and M.I. Danylenko, Surf. Coat. Technol., 205, Nos. 23–24:5278 (2011). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.05.046
  32. X. Guo, J. Chen, H. Yu, H. Liao, and C. Coddet, Surf. Coat. Technol., 268: 94 (2015). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.05.062
  33. T.J. Watson, A. Nardi, A.T. Ernst, I. Cernatescu, B.A. Bedard, and M. Aindow, Surf. Coat. Technol., 324: 57 (2017). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.05.049
  34. A. Inoue and H. Kimura, Nanosruct. Mater., 11, No. 2: 221 (1999). https://doi.org/10.1016/S0965-9773(99)00035-5
  35. A. Inoue and H. Kimura, Mater. Sci. Eng. A, 286, No. 1: 1 (2000). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)00656-0
  36. F. Audebert, F. Prima, M. Galano, M. Tomut, P.J. Warren, I.C. Stone, and B. Cantor, Mater. Trans., 43, No. 8: 2017 (2002). https://doi.org/10.2320/matertrans.43.2017
  37. Yu.V. Milman, A.I. Sirko, M.O. Iefimov, O.D. Niekov, A.O. Sharovsky, and N.P. Zacharova, High Temp. Mater. Processes, 25, Nos. 1–2: 19 (2006). https://doi.org/10.1515/HTMP.2006.25.1-2.19
  38. M. Galano, F. Audebert, A. García-Escorial, I. C. Stone, and B. Cantor, Acta Mater., 57, No. 17: 5120 (2009). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.07.009
  39. M. Galano, F. Audebert, I. C. Stone, and B. Cantor, Acta Mater., 57: 5107 (2009). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.07.011
  40. Yu.V. Milman, Mater. Sci. Forum, 482: 77 (2005). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.482.77
  41. N.W. Khun, R.T. Li, and K.A. Khor, Tribology Trans., 58, No. 5: 859 (2015). https://doi.org/10.1080/10402004.2015.1023411
  42. M.O. Iefimov, D.V. Lotsko, Yu.V. Milman, A.L. Borisova, S.I. Chugunova, Ye.A. Astakhov, and O.D. Neikov, High Temp. Mater. Processes, 25, Nos. 1–2: 31 (2006). https://doi.org/10.1515/HTMP.2006.25.1-2.31
  43. Yu.V. Milman, D.V. Lotsko, O.D. Neikov, A.I. Sirko, N.A. Yefimov, A.N. Bilous, D.B. Miracle, and O.N. Senkov, Mater. Sci. Forum, 396–402: 723 (2002). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.396-402.723
  44. M.V. Semenov, M.M. Kiz, M.O. Iefimov, A.I. Sirko, A.V. Byakova, and Yu.V. Milman, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 4, No. 4: 767 (2006) (in Russian).
  45. J.M. Dubois, A. Proner, B. Bucaille, Ph. Cathonnet, C. Dong, V. Richard, A. Pianelli, Y. Massiani, S. Ait-Yaazza, and E. Belin-Ferré, Ann. Chim. Sci. Mat., 19: 3 (1994).
  46. D.J. Sordelet, S.D. Widener, Y. Tang, and M.F. Besser, Mater. Sci. Eng. A, 294–296: 834 (2000). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01056-X
  47. Bruno Alessandro Silva Guedes de Lima, Rodinei Medeiros Gomes, Severino Jackson Guedes de Lima, Diana Dragoe, Marie-Geneviéve Barthes-Labrousse, Richard Kouitat-Njiwa, and Jean-Marie Dubois, Sci. Technol. Adv. Mater., 17, No. 1: 71 (2016). https://doi.org/10.1080/14686996.2016.1152563
  48. T. Eisenhammer, Thin Solid Films, 270, No. 1: 1 (1995). https://doi.org/10.1016/0040-6090(95)06833-3
  49. H.M. Kimura, K. Sasamori, and A. Inoue, J. Mater. Res., 15, No. 12: 2737 (2000). https://doi.org/10.1557/JMR.2000.0392
  50. M. Galano, F. Audebert, A. García-Escorial, I. C. Stone, and B. Cantor, J. Alloys Compd., 495, No. 2: 372 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.10.208.
  51. M. Galano, F. Audebert, B. Cantor, and I. Stone, Mater. Sci. Eng. A, 375–377: 1206 (2004). https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.066
  52. S. Pedrazzini, M. Galano, F. Audebert, D. M. Collins, F. Hofmann, B. Abbey, A.M. Korsunsky, M. Lieblich, A. Garcia Escorial, and G.D. W. Smith, Mater. Sci. Eng. A, 672: 175 (2016). https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.07.007
  53. Z. Chlup, I. Todd, A. Garcia-Escorial, M. Lieblich, A. Chlupová, and J.G. O’Dwyer, Mater. Sci. Forum, 426–432: 2417 (2003). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.426-432.2417.
  54. N. Ott, A. Beni, A. Ulrich, C. Ludwig, and P. Schmutz, Talanta, 120: 230 (2014). https://doi.org/10.1016/j.talanta.2013.11.091
  55. E. Ura-Binczyk, N. Homazava, A. Ulrich, R. Hauert M. Lewandowska, K.J. Kurzydlowski, and P. Schmutz, Corros. Sci., 53, No. 5: 1825 (2011). https://doi.org/10.1016/j.corsci.2011.01.061.
  56. A. Beni, N. Ott, E. Ura-Bińczyk, M. Rasinski, B. Bauer, P. Gille, A. Ulrich, and P. Schmutz, Electrochim. Acta, 56, No. 28: 10524 (2011). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.08.092
  57. Y. Massiani, S. Ait Yaazza, J. P. Crousier, and J-M. Dubois, J. Non-Cryst. Solids, 159, Nos. 1–2: 92 (1993). https://doi.org/10.1016/0022-3093(93)91286-C.
  58. D. Veys, C. Rapin, X. Li, L. Aranda, V. Fournée, and J-M. Dubois, J. Non-Cryst. Solids, 347, Nos. 1–3: 1 (2004). https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.09.004.
  59. R.T. Li, Z.L. Dong, N.W. Khun, and K.A. Khor, Mater. Sci. Technol., 31, No. 6: 688 (2015). https://doi.org/10.1179/1743284714Y.0000000645
  60. N.W. Khun, R.T. Li, K. Loke, and K.A. Khor, Tribology Trans., 58, No. 4: 616 (2015). https://doi.org/10.1080/10402004.2014.991860.
  61. A. Ziani, G. Michot, A. Pianelli, A. Redjaïmia, C.Y. Zahra, and A.M. Zahra, J. Mater. Sci., 30, No. 11: 2921 (1995). https://doi.org/10.1007/BF00349664.
  62. C. Zhang, Y. Wu, X. Cai, F. Zhao, S. Zheng, G. Zhou, and S. Wu, Mater. Sci. Eng. A, 323, Nos. 1–2: 226 (2002). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01353-3.
  63. K.N. Ishihara, S.R. Nishitani, and P.H. Shingu, Trans. ISIJ, 28, No. 1: 2 (1988). http://doi.org/10.2355/isijinternational1966.28.2.
  64. H. Lones, Rep. Prog. Phys., 36, No. 11: 1425 (1973). https://doi.org/10.1088/0034-4885/36/11/002
  65. J. Gurland and N.M. Parih, Fracture: An Advanced Treatise (Ed. H. Liebowitz) (New York, USA: Academic Press, Inc: 1972), p. 841.
  66. K. Urban, N. Moser, and H. Kronmüller, Phys. Status Solidi A, 91, No. 2: 411 (1985). https://doi.org/10.1002/pssa.2210910209
  67. C. Banjongprasert, S.C. Hogg, I.G. Palmer, N. Grennan-Heaven, I.C. Stone, and P.S. Grant, Mater. Sci. Forum, 561–568: 1075 (2007). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.561-565.1075.
  68. H.J. Kestenbach, C. Bolfarini, C.S. Kiminami, and W.J. Botta Filho, J. Metastable Nanocryst. Mater., 20–21: 382 (2004). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JMNM.20-21.382
  69. A. García-Escorial, E. Natale, V.J. Cremaschi, I. Todd, and M. Lieblich, J. Alloys Compd., 643: S199 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.12.164.
  70. R.T. Li, Z.L. Dong, and K.A. Khor, Scripta Mater., 114: 88 (2016). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.12.011.
  71. A.V. Byakova, M.M. Kiz, A.I. Sirko, M.S. Yakovleva, and Yu.V. Milman, High Temp. Mater. Processes, 29, Nos. 5–6: 325 (2010). https://doi.org/10.1515/HTMP.2010.29.5-6.325
  72. S. Yin, P. Cavaliere, B. Aldwell, R. Jenkins, H. Liao, W. Li, and R. Lupoi, Addit. Manuf., 21: 628 (2018). https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.04.017
  73. O.D. Neikov, V.G. Kalinkin, A.F. Lednyansky, and G.I. Vasilieva, Sposob Polucheniya Poroshkov Aluuminiya i Yego Splavov [Method for Production of Al and Al-Based Alloys]: Patent 2078427 RU. MKI, B22F9/08 (Bul., 12) (1997) (in Russian).
  74. A. Papyrin, V. Kosarev, S. Klinkov, A. Alkhimov, and V. Fomin, Cold Spray Technology (Ed. A. Papyrin) (Amsterdam: Elsevier Ltd.: 2007).
  75. J.V. Cahn, D. Schehntman, and D. Gratias, J. Mater. Res., 1, No. 1: 13 (1986). https://doi.org/10.1557/JMR.1986.0013
  76. Yu.V. Milman and S.I. Chugunova, Int. J. Impact Eng., 23, No. 1: 629 (1999). https://doi.org/10.1016/S0734-743X(99)00109-8
  77. Yu.V. Milman, B.A. Galanov, and S.I. Chugunova, Acta Metall. Mater., 41, No. 9: 2523 (1993). https://doi.org/10.1016/0956-7151(93)90122-9
  78. W.C. Oliver and G.M. Pharr, J. Mater. Res., 7, No. 6: 1564 (1992). https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
  79. Yu.V. Milman, J. Phys. D: Appl. Phys., 41, No. 7: 1 (2008). https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/7/074013
  80. Yu. Milman, S. Dub, and A. Golubenko, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1049: 123 (2008). https://doi.org/10.1557/PROC-1049-AA05-06.
  81. M. Grujicic, J.R. Saylor, D.E. Beasley, W.S. DeRosset, and D. Helfritch, Appl. Surf. Sci., 219, Nos. 3–4: 211 (2003). https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00643-3.
  82. R.C. McCune, W.T. Donlon, O.O. Popoola, and E.L. Cartwright, J. Therm. Spray Technol., 9, No. 1: 73 (2000). https://doi.org/10.1361/105996300770350087.
  83. W.-Y. Li, H. Liao, C.-J. Li, G. Li, C. Coddet, and X. Wang, Appl. Surf. Sci., 253, No. 5: 2852 (2006). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.05.126.
  84. H. Assadi, F. Gärtner, T. Stoltenhoff, and H. Kreye, Acta Mater., 51, No. 15:4379 (2003). https://doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00274-X
  85. M. Grujicic, C.L. Zhao, W.S. DeRosset, and D. Helfritch, Mater. Des., 25, No. 8: 681 (2004). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2004.03.008.
  86. L. Ajdelsztajn, A. Zúñiga, B. Jodoin, and E.J. Lavernia, Surf. Coat. Technol., 201, No. 6: 2109 (2006). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.06.001
  87. H. El-Sobky, Explosive Welding, Forming and Compaction (Eds. T.Z. Blazynski) (London: Applied Science Publishers Ltd.: 1983), p. 189.
  88. F. Prima, M. Tomut, I. Stone, B. Cantor, D. Janickovic, G. Vlasak, and P. Svec, Mater. Sci. Eng. A, 375–377: 772 (2004). https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.264.
  89. N. Takata, K. Yamada, K. Ikeda, F. Yoshida, H. Nakashima, and N. Tsuji, Mater. Sci. Forum, 503–504: 919 (2006). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.503-504.919
  90. G. Benchabane, Z. Boumerzoug, I. Thibon, and T. Gloriant, Mater. Charact., 59, No. 10: 1425 (2008). https://doi.org/10.1016/j.matchar.2008.01.002
  91. I.N.A. Oguocha, M. Radjabi, and S. Yannacopoulos, J. Mater. Sci., 35, No. 22: 5629 (2000). https://doi.org/10.1023/A:1004881702823
  92. J. Majimel, G. Molénat, M.J. Casanove, D. Schuster, A. Denquin, and G. Lapasset, Scr. Mater., 46, No. 2: 113 (2002). https://doi.org/10.1016/S1359-6462(01)01200-3

Лицензия Creative Commons
Эта статья доступна по Лицензии Creative Commons “Attribution-NoDerivatives” («атрибуция — без производных статей») 4.0 Всемирная
© 2000 Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины