ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА МЕЖФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ ЛИТЫХ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

Характер межфазного взаимодействия алюминиевых расплавов с экзогенными армирующими компонентами при получении алюмоматричных композиционных материалов литейно-металлургическими методами может существенно изменяться при добавлении различных легирующих элементов. В этой связи учет влияния легирования матричных сплавов на термодинамическую активность компонентов в расплавах может рассматриваться как один из критериев выбора легирующих элементов при проектировании составов литых алюмоматричных композитов. Вместе с тем экспериментальные оценки термодинамической активности компонентов сложных систем сопряжены со значительными затратами времени и материальных ресурсов, характеризуются высокой трудоемкостью и большим разбросом полученных значений. Разработка и верификация расчетных моделей для прогнозирования термодинамического поведения многокомпонентных расплавов может рассматриваться как достаточно эффективный подход к определению их термодинамических характеристик. В настоящей работе проведена оценка термодинамической активности легирующих компонентов матричных алюминиевых сплавов при получении литых композиционных материалов на основе тройной системы Al – Si – X (где X = Si, Cu, Mg, Zn, Mn, Ni, Ti, Fe) с использованием уравнения Уилсона и расчетных значений регулируемых параметров по расширенной модели Миедемы. Расчетные формы уравнений для определения коэффициентов активности компонентов реализованы в программном пакете MS Excel. Полученные результаты могут быть полезны при прогнозировании химической стабильности экзогенных армирующих компонентов в матричных алюминиевых расплавах.

1. Mortensen A., Llorca J. Metal matrix composites // Annual Review of Materials Research. 2010. Vol. 40. No. 1. P. 243–270.

2. Rohatgi P.K., Ajay Kumar P., Chelliah N.M., Rajan T.P.D. Solidification processing of cast metal matrix composites over the last 50 years and opportunities for the future // JOM. 2020. Vol. 72. No. 8. P. 2912–2926.

3. Prusov E., Deev V., Rakhuba E. Aluminum matrix in-situ composites reinforced with Mg2Si and Al3Ti // Materials Today: Proceedings. 2019. P. 386–391.

4. Samal P., Vundavilli P.R., Meher A., Maha-patra M.M. Recent progress in aluminum metal matrix composites: a review on pro-cessing, mechanical and wear properties // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 59. P. 131–152.

5. Панфилов А.В., Прусов Е.С. О получении и свойствах комплексно-армированных композиционных материалов с алюминиевой матрицей // Литейное производство. 2008. № 8. С. 1–9.

6. Eustathopoulos N., Voytovych R. The role of reac-tivity in wetting by liquid metals: A review // Journal of Materials Science. 2016. Vol. 51. P. 425–437.

7. Malaki M., Fadaei Tehrani A., Niroumand B., Gupta M. Wettability in metal matrix composites // Metals. 2021. Vol. 11. No. 7. Article 1034.

8. Prusov E.S., Deev V.B., Shurkin P.K., Arakelian S.M. The effect of alloying elements on the interac-tion of boron carbide with aluminum melt // Non-Ferrous Metals. 2021. Vol. 50. No. 1. P. 27–33.

9. Прусов Е.С., Панфилов А.В., Панфилов А.А. Термодинамический анализ и модель взаимодействия компонентов при синтезе композиционных материалов на основе систем Al–TiO2–B–SiC и Al–TiO2–C–SiC // Литейщик России. 2009. № 9. С. 30–33.

10. Chatain S., Gonella C., Bordier G., Le Ny J. Thermodynamic activity measurements of the liquid Cu-Gd alloy by high temperature mass spectrometry // Journal of Alloys and Compounds. 1995. Vol. 228. No. 1. P. 112–118.

11. Zhang N., Chen W., Chen X., Ding X., Zhou G. Modeling activity and interaction coefficients of components of multicomponent alloy melts: an example of iron melt // High Temperature Materials and Processes. 2013. Vol. 32. No. 3. P. 215–221.

12. Li H., Zhang S., Chen Y., Cheng M., Song H., Liu J. Estimation of thermodynamic properties of Cu–La binary alloy with modified miedema’s theory // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2016. Vol. 90. No. 1. P. 11–17.

13. Ding X., Fan P., Han Q. Models of activity and activity interaction parameter in ternary metallic melt // Acta Metallurgica Sinica. 1994. Vol. 30. P. 49–60.

14. Fan P., Chou K.C. A self-consistent model for predicting interaction parameters in multicomponent alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. 1999. Vol. 30. P. 3099–3102.

15. Wang F.M., Li X.P., Han Q.Y., Zhang N.X. A model for calculating interaction coefficients between elements in liquid and iron-base alloy // Metallurgical and Materials Transactions B. 1997. Vol. 28. P. 109–113.

16. Viala J.C., Fortier P., Bouix J. Stable and metastable phase equilibria in the chemical interaction between aluminium and silicon carbide // Journal of Materials Science. 1990. Vol. 25. P. 1842–1850.

17. Carotenuto G., Gallo A., Nicolais L. Degradation of SiC particles in aluminium-based composites // Journal of Materials Science. 1994. Vol. 29. P. 4967–4974.

18. Pech-Canul M.I., Katz R.N., Makhlouf M.M. Optimum parameters for wetting silicon carbide by aluminum alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. 2000. Vol. 31. P. 565–573.

19. Fan T.X., Yang G., Zhang D. Prediction of chemical stability in SiCp/Al composites with alloying element addition using Wilson equation and an extended Miedema model // Materials Science and Engineering A. 2005. Vol. 394. P. 327–338.

20. Wilson G.M. Vapor-Liquid Equilibrium. XI. A New expression for the excess free energy of mixing // Journal of the American Chemical Society. 1964. Vol. 86. No. 2. P. 127–130.

21. Tao D.P. Prediction of the thermodynamic properties of multicomponent liquid alloys by binary infinite dilute activity coefficients // Metallurgical and Materials Transactions B. 2001. Vol. 32. P. 1205–1211.

22. Tao D.P., Yang X.W. Prediction on thermodynamic properties of ternary molten salts from Wilson equation // Metallurgical and Materials Transactions B. 1997. Vol. 28. P. 725–727.

23. Fan T.X., Yang G., Zhang D. Thermo-dynamic effect of alloying addition on in-situ reinforced TiB2/Al composites // Metallurgical and Materials Transactions A. 2005. Vol. 36. P. 225–234.

24. Fan T.X., Yang G.J., Chen J.Q., Zhang D. Model prediction of thermodynamics activity in multicomponent liquid alloy // Key Engineering Materials. 2006. Vol. 313. P. 19–24.

25. Fang X., Fan T., Zhang D. Work of Ad-hesion in Al/SiC composites with alloying element addition // Metallurgical and Materials Transactions A. 2013. Vol. 44. No. 11. P. 5192–5201.

26. Miedema A.R., de Chatel P.F., de Boer F.R. Cohesion in alloys – Fundamental of a semi-empirical model // Physica B+C. 1980. Vol. 100. No. 1. P. 1–28.

27. Prusov E., Kechin V. General Concept of Cast Metal Matrix Composites Design. In: World Foundry Congress "Creative Foundry", WFC 2018 – Proceedings. Krakow, 2018. P. 199–200.

28. Prusov E., Kechin V., Deev V. Selection of reinforcing phases for aluminum matrix composites using thermodynamic stability criterion. In: METAL 2020 – 29th International conference on metallurgy and materials. Сonference proceedings. Brno, 2020. P. 1067–1072.