Випуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, випуск 4 (2020)

Роль технологічного процесу в структурних характеристиках квазикристалічного стопу Al–Fe–Cr

О. В. Бякова$^1$, А. О. Власов$^1$, О. А. Щерецький$^2$, О. І. Юркова$^3$

$^1$Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, вул. Академіка Кржижановського, 3, 03142 Київ, Україна
$^2$Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 34/1, 03142 Київ, Україна
$^3$Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Перемоги 37, 03056 Київ, Україна

Отримано 22.06.2020; остаточний варіант — 07.10.2020 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
В роботі зосереджено увагу на важливості ролі технологічного підходу з точки зору його впливу на формування структури, реакції на термічне оброблення та механічну поведінку квазикристалічного стопу Al–Fe–Cr формульного складу Al94Fe3Cr3. Декілька видів напівпродуктів і масивних матеріалів було виготовлено із зазначеного стопу через застосування методів швидкої кристалізації шляхом спінінґування розтопу та розпорошення порошку й консолідацію порошку в процесі гарячої екструзії та холодного газодинамічного напорошення відповідно. Всі види напівпродуктів і масивних матеріалів містили нанорозмірні квазикристалічні частинки ікосаедричної фази (i-фази), втілені в алюмінієву матрицю, хоча кількість квазикристалів та інші структурні параметри відрізнялися залежно від застосованого методу одержання матеріалу, зокрема порівняно з поширеним натепер методом гарячої екструзії. Використання техніки холодного газодинамічного напорошення забезпечувало значні переваги в збереженні квазикристалічних частинок, які містились у вихідному порошку. Вирішальна роль нанорозмірних квазикристалічних частинок у наданні структурних переваг матеріалу та комбінації винятково високої міцности та пластичности потрійного стопу Al–Fe–Cr було доведено шляхом дослідження еволюції механічних властивостей під впливом нагрівання. З цією метою вплив нагріву на еволюцію структури та механічних властивостей кожного виду матеріалу зі стопу Al94Fe3Cr3 було досліджено й обговорено з урахуванням класичних механізмів зміцнення. В обговоренні використовували низку механічних характеристик, включаючи мікротвердість HV, границю плинности σy, модуль Юнґа E та характеристику пластичности δH$/$δA, які визначали технікою індентування. За одержаними результатами було доведено, що властивості міцности (HV, σy, E) та характеристика пластичности (δH$/$δA) матеріалу, одержаного методом холодного газодинамічного напорошення, набагато перевищували ці характеристики для матеріалу, виготовленого відповідно до методу гарячої екструзії, який застосовують натепер. Важливо, що стоп Al94Fe3Cr3, одержаний за методом холодного газодинамічного напорошення, демонстрував майже стабільні величини механічних характеристик щонайменше до 350 °C, засвідчуючи можливість його потенційного застосування в інженерній практиці в умовах середніх робочих температур.

Ключові слова: квазикристали, алюмінієвий стоп, спінінґування розтопу, розпорошування порошку, холодне газодинамічне напорошення, мікроструктура, механічні властивості.

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

Цитована література (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

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© 2000 Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України