Effect of Laser Alloying with the Powder Mixtures of Cu–Zn–Ti and Si–Cu on the Structure and Properties of Cast Aluminum Alloy

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The use of laser based modification technologies is an actual and promising way to improve the surface properties of aluminum alloys. Laser alloying of aluminum alloys, which helps to improve its corrosion resistance, mechanical properties and wear resistance under conditions of adhesion and abrasive wear, is of great interest. The aim of this work is to study the possibility of increasing the physical and mechanical properties of the cast aluminum alloy by laser alloying with the powder mixtures of Cu–Zn–Ti (blend no. 1) and Si–Cu (blend no. 2), which are applied to the surface of specimens in the form of coatings. Laser alloying of the surface of specimens is carried out on a continuous CO2 laser with the emission wavelength λ = 10.6 μm. The methods of investigation. Optical and scanning electron microscopy, energy-dispersive microanalysis, x-ray diffraction phase analysis, microhardness measurement, instrumented microindentation, abrasive wear and thermal erosion tests are used. Results and discussion. It is established that the laser alloying results in the formation of alloyed layers with a depth h = 3.5–4.0 mm on the surface of the aluminum alloy specimens. The alloyed layers have a dendritic-cellular structure, the main structural components of which are the α–Al solid solution and a network of eutectic silicon crystals along the boundaries of dendritic cells. The CuAl2 intermetallide with a particle size of 1–5 μm also is detected in the structure of the alloyed layers. The laser alloying increases the hardness of the aluminum alloy from 90 to 125 HV0.025 after alloying with the powder blend no. 1 and up to 100 HV0.025 after alloying with the powder blend no. 2. According to the microindentation data, the alloyed layers are characterized by increased resistance to elastic-plastic deformation, which is evidenced by the increase in the parameters of Re in 1.2–1.38 times, HIT/E* in 1.33–1.67 times and  in 2.14–3.71 times. Wear resistance tests under conditions of abrasive wear shows that the laser alloying leads to some increase in wear rate Ih (decrease in wear resistance) of the aluminum alloy from (1.49±0.09)×10−3 to (1.82±0.06)×10−3 after alloying with the powder blends no. 1 and 2. However, laser alloying the alloy leads to an increase in its resistance to thermal erosion, which manifests itself in reducing the number and size of thermal cracks.

About the authors

S. A. Roman

Email: ras@imach.uran.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya St., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, ras@imach.uran.ru

M. Yu. Irina

Email: malygina@imach.uran.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya St., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, malygina@imach.uran.ru

M. V. Aleksey

Email: avm@imp.uran.ru
D.Sc. (Engineering), 1. Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya St., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation; 2. M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskaya st., Ekaterinburg, 620108, Russian Federation; 3. Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira st., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation, avm@imp.uran.ru

O. L. Alevtina

Email: osintseva@imach.uran.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya St., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, osintseva@imach.uran.ru

R. A. Svetlana

Email: rogovaya@imach.uran.ru
Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya St., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, rogovaya@imach.uran.ru

K. M. Yuri

Email: uramk@mail.ru
Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya St., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, uramk@mail.ru

References

  1. Голышев А.А., Маликов А.Г., Оришич А.М. Исследование микроструктуры высокопрочных лазерных сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов авиационного назначения // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 2. – С. 50–62. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.2-50-62.
  2. Мартюшев Н.В., Зыкова А.П., Башев В.С. Модифицирование сплава марки АК12 частицами ультрадисперсного порошка вольфрама // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 3 (76). – С. 51–58. – doi: 10.17212/1994-6309-2017-3-51-58.
  3. Об участии водорода в формировании свойств заэвтектических сплавов Al–Si / В.К. Афанасьев, М.В. Попова, М.А. Малюх, С.В. Долгова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 2. – С. 63–74. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.2-63-74.
  4. Криштал М.М., Ивашин П.В., Коломиец П.В. Использование технологии микродугового оксидирования при разработке ДВС с блоком цилиндров из алюминиевого сплава // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2010. – Т. 12, № 4. – С. 242–246.
  5. Андрияхин В.М. Процессы лазерной сварки и термообработки. – М.: Наука, 1988. – 176 с. – ISBN 5-02-005979-X.
  6. Григорьянц А.Г., Смирнова Н.А. Упрочнение поверхности стали 45 и литейного алюминиевого сплава АК9 излучением волоконного лазера // Технология машиностроения. – 2011. – № 11. – С. 52–56.
  7. Design of local heat treatment for crack retardation in aluminium alloys / A. Groth, M. Horstmann, N. Kashaev, N. Huber // Procedia Engineering. – 2015. – Vol. 114. – P. 271–276. – doi: 10.1016/j.proeng.2015.08.068.
  8. Смирнова Н.А. Лазерное модифицирование поверхности алюминиевых сплавов // Технология машиностроения. – 2016. – № 2. – С. 9–18.
  9. Modification of microstructure and superficial properties of A356 and A356/10%SiCp by selective laser surface melting (SLSM) / L.M. Laorden, P. Rodrigo, B. Torres, J. Rams // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 309. – P. 1001–1009. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.10.046.
  10. Effect of the composition of absorbing coatings on the structure and properties of a cast aluminum alloy subjected to surface laser heat treatment / R.A. Savrai, I.Yu. Malygina, A.V. Makarov, A.L. Osintseva, S.A. Rogovaya, N.A. Davydova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2018. – Iss. 5. – P. 86–105. – doi: 10.17804/2410-9908.2018.5.086-105.
  11. Surface modification of Al–Al2O3 composites by laser treatment / V. Cannillo, A. Sola, M. Barletta, A. Gisario // Optics and Lasers in Engineering. – 2010. – Vol. 48, iss. 12. – P. 1266–1277. – doi: 10.1016/j.optlaseng.2010.06.004.
  12. Shabel B.S., Granger D.A., Truckner W.G. Friction and wear of aluminum-silicon alloys // ASM Handbook / ed. by P.J. Blau. – Materials Park: ASM International, 1992. – Vol. 18: Friction, lubrication, and wear technology. – P. 785–794.
  13. Effect of laser parameters on properties of surface-alloyed Al substrate with Ni / S.A. Vaziri, H.R. Shahverdi, M.J. Torkamany, S.G. Shabestari // Optics and Lasers in Engineering. – 2009. – Vol. 47, iss. 9. – P. 971–975. – doi: 10.1016/j.optlaseng.2009.04.007.
  14. Dilution of molybdenum on aluminum during laser surface alloying / H.D. Vora, R.S. Rajamure, S. Soundarapandian, S.G. Srinivasan, N.B. Dahotre // Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – Vol. 570. – P. 133–143. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.03.115.
  15. Laser alloyed Al-W coatings on aluminum for enhanced corrosion resistance / R.S. Rajamure, H.D. Vora, S.G. Srinivasan, N.B. Dahotre // Applied Surface Science. – 2015. – Vol. 328. – P. 205–214. – doi: 10.1016/j.apsusc.2014.12.037.
  16. Laser surface alloying of molybdenum on aluminum for enhanced wear resistance / R.S. Rajamure, H.D. Vora, N. Gupta, S. Karewar, S.G. Srinivasan, N.B. Dahotre // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 258. – P. 337–342. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.08.074.
  17. Mabhali L.A.B., Sacks N., Pityana S. Three body abrasion of laser surface alloyed aluminium AA1200 // Wear. – 2012. – Vol. 290–291. – P. 1–9. – doi: 10.1016/j.wear.2012.05.034.
  18. Ravnikar D., Dahotre N.B., Grum J. Laser coating of aluminum alloy EN AW 6082-T651 with TiB2 and TiC: microstructure and mechanical properties // Applied Surface Science. – 2013. – Vol. 282. – P. 914–922. – doi: 10.1016/j.apsusc.2013.06.089.
  19. Nath S., Pityana S., Majumdar J.D. Laser surface alloying of aluminium with WC + Co + NiCr for improved wear resistance // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 206, iss. 15. – P. 3333–3341. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.01.038.
  20. Laser processed TiC–Al13Fe4 composite layer formation on Al–Si alloy / A. Viswanathan, D. Sastikumar, H. Kumar, A.K. Nath // Optics and Lasers in Engineering. – 2012. – Vol. 50, iss. 9. – P. 1321–1329. – doi: 10.1016/j.optlaseng.2012.02.013.
  21. D'Amato C., Betts J.C., Buhagiar J. Laser surface alloying of an A356 aluminium alloy using nickel and Ni-Ti-C: a corrosion study // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 244. – P. 194–202. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.02.018.
  22. Смирнова Н.А. Лазерное легирование поверхности алюминиевых сплавов // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2014. – № 3 (33). – С. 28–36.
  23. Effect of alloying on high temperature fatigue performance of ZL114A (Al-7Si) alloy / X. Dong, J. Zhou, Y. Jia, B. Liu // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2012. – Vol. 22, iss. 3. – P. S661–S667. – doi: 10.1016/S1003-6326(12)61782-8.
  24. Blum R., Molian P. CO2 laser coating of nanodiamond on aluminum using an annular beam // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 288. – P. 1–8. – doi: 10.1016/j.apsusc.2013.04.162.
  25. D'Amato C., Buhagiar J., Betts J.C. Tribological characteristics of an A356 aluminium alloy laser surface alloyed with nickel and Ni–Ti–C // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 313. – P. 720–729. – doi: 10.1016/j.apsusc.2014.06.061.
  26. The influence of laser alloying on the structure and mechanical properties of AlMg5Si2Mn surface layers / W. Pakiela, T. Tanski, Z. Brytan, K. Labisz // Applied Physics A: Materials Science and Processing. – 2016. – Vol. 122, iss. 352. – P. 1–9. – doi: 10.1007/s00339-016-9834-z.
  27. Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. Промышленные алюминиевые сплавы: справочник / под. ред. Ф.И. Квасова, И.Н. Фридляндера. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1984. – 528 с.
  28. Improving the strength of the AISI 321 austenitic stainless steel by frictional treatment / R.A. Savrai, A.V. Makarov, I.Yu. Malygina, S.A. Rogovaya, A.L. Osintseva // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2017. – Iss. 5. – P. 43–62. – doi: 10.17804/2410-9908.2017.5.043-062.
  29. ISO 14577-1:2015. Metallic materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Pt. 1: Test method. – Geneva: ISO, 2015. – 46 p.
  30. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. – 1998. – Vol. 73, iss. 5. – P. 614–618. – doi: 10.1063/1.121873.
  31. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. – 1993. – Vol. 61, iss. 1–3. – P. 201–208. – doi: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.
  32. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. – 2007. – Vol. 52, iss. 6. – P. 966–974. – doi: 10.1134/S1063774507060065.
  33. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 174–175. – P. 725–731. – doi: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.
  34. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.
  35. Effect of nanostructuring frictional treatment on the properties of high-carbon pearlitic steel. Part I: Microstructure and surface properties / R.A. Savrai, A.V. Makarov, I.Yu. Malygina, E.G. Volkova // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 734. – P. 506–512. – doi: 10.1016/j.msea.2018.07.099.
  36. Savrai R.A., Makarov A.V. Effect of nanostructuring frictional treatment on the properties of high-carbon pearlitic steel. Part II: Mechanical properties // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 734. – P. 513–518. – doi: 10.1016/j.msea.2018.07.100.
  37. Саврай Р.А. Сопротивление разрушению наплавленных лазером хромоникелевых покрытий при контактно-усталостном нагружении // Физика металлов и металловедение. – 2018. – Т. 119, № 10. – С. 1070–1078. – doi: 10.1134/S001532301810011X.
  38. Формирование износостойкого хромоникелевого покрытия с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой / А.В. Макаров, Н.Н. Соболева, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2015. – № 3. – С. 39–46.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».