Вплив імпульсних режимів електричного струму на структуру і властивості композиту системи W-сталь Х18Н10Т
DOI:
https://doi.org/10.15407/mom2026.03.032Ключові слова:
металоматричний композиційний матеріал, вольфрамове волокно, контактне роликове зварювання, електропроводністьАнотація
У роботі досліджено вплив технологічних параметрів роликового контактного зварювання на формування металоматричного композиційного матеріалу, армованого вольфрамовими волокнами. Для оцінювання якості консолідації композиційної структури запропоновано використовувати електропровідність, виміряну вихрострумовим методом, як непрямий показник цілісності проплавленої зони та об’ємної частки внутрішніх дефектів. Встановлено, що збільшення електропровідності відповідає зменшенню кількості непроплавів і формуванню суцільного електропровідного шляху в зоні сплавлення. Для оптимізації процесу виготовлення композиційного матеріалу реалізовано дробовий факторний експеримент типу 2⁵⁻² з варіюванням тривалості імпульсу зварювального струму, тривалості паузи, сили стиснення електродів, швидкості формування та зсуву зварних швів. За результатами статистичної обробки експериментальних даних отримано адекватну регресійну модель, що описує залежність електропровідності від технологічних параметрів процесу. Методом крутого сходження визначено область оптимальних режимів формування композиту. Металографічні дослідження показали, що оптимізовані параметри забезпечують утворення суцільної проплавленої зони навколо армуючих волокон при збереженні вихідної мікроструктури поверхневих шарів матриці. Встановлено, що високотемпературна короткочасна міцність отриманих композиційних матеріалів при 1200 °С відповідає значенням, розрахованим за правилом суміші. На підставі комплексного аналізу структури та технологічних характеристик обґрунтовано раціональний режим формування металоматричного композиційного матеріалу.
Посилання
Belikov, S., Vinichenko, V., Korobko, O., Shalomeev, V., Parkhisenko, D., & Ershov, A. (2024). State of the issue regarding the possibility of enhancing the characteristics of high-temperature composites. New Materials and Technologies in Metallurgy and Mechanical Engineering, (4), 22–44. https://doi.org/10.15588/1607-6885-2024-4-3
Rieth, M., Dudarev, S. L., De Vicente, S. G., Aktaa, J., Ahlgren, T., Antusch, S., ... & Zivelonghi, A. (2013). Recent progress in research on tungsten materials for nuclear fusion applications in Europe. Journal of Nuclear Materials, 432(1–3), 482–500. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.08.018
Baumli, P. (2020). Interfacial aspects of metal matrix composites prepared from liquid metals and aqueous solutions: A review. Metals, 10(10), 1400. https://doi.org/10.3390/met10101400
Xiong, H., Gu, L., Wang, J., Zhou, L., Ying, T., Wang, S., ... & Zeng, X. (2024). The interface structure and property of magnesium matrix composites: A review. Journal of Magnesium and Alloys, 12(7), 2595–2623. https://doi.org/10.1016/j.jma.2024.04.022
Fan, Y., & Zhou, X. (2018). A study of interface reaction zone in a SiC fibre/Ti-17 composite. Micron, 113, 91–98. https://doi.org/10.1016/j.micron.2018.07.003
Gietl, H., Riesch, J., Zielinski, M., Höschen, T., Coenen, J. W., Schönen, S., & Neu, R. (2021). Interlayer properties of tungsten fibre-reinforced composites and their determination by different methods. Nuclear Materials and Energy, 28, 101060. https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.101060
Palaniyappan, S., Trautmann, M., Mao, Y., Riesch, J., Gowda, P., Rudolph, N., ... & Wagner, G. (2021). Yttria-coated tungsten fibers for use in tungsten fiber-reinforced composites: A comparative study on PVD vs. CVD routes. Coatings, 11(9), 1128. https://doi.org/10.3390/coatings11091128
Fan, T., Liu, Y., Yang, K., Song, J., & Zhang, D. (2018). Recent progress on interfacial structure optimization and their influencing mechanism of carbon reinforced metal matrix composites. Acta Metallurgica Sinica, 55(1), 16–32.
Robin, I. K., Gräning, T., Yang, Y., Haider, S. B., Lass, E. A., Katoh, Y., & Zinkle, S. J. (2023). Evaluation of tungsten-steel solid-state bonding: Options and the role of CALPHAD to screen diffusion bonding interlayers. Metals, 13(8), 1438. https://doi.org/10.3390/met13081438
Koyanagi, T., Kumar, N. K., Hwang, T., Garrison, L. M., Hu, X., Snead, L. L., & Katoh, Y. (2017). Microstructural evolution of pure tungsten neutron irradiated with a mixed energy spectrum. Journal of Nuclear Materials, 490, 66–74. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.04.010
Kainer, K. U. (2006). Basics of metal matrix composites. In Metal matrix composites: Custom‐made materials for automotive and aerospace engineering (pp. 1–54). https://doi.org/10.1002/3527608117.ch1
Pooja, K., Tarannum, N., & Chaudhary, P. (2025). Metal matrix composites: Revolutionary materials for shaping the future. Discover Materials, 5(1), 35. https://doi.org/10.1007/s43939-025-00226-6
Chawla, K. K. (2012). Metal matrix composites. In Composite materials: Science and engineering (pp. 197–248). Springer New York. https://doi.org/10.1007/978-0-387-74365-3_6
Vinichenko, V. S., Pleskach, V. M., Ershov, A. V., Volkov, G. P., & Ivanchenko, E. Yu. (2024). Study of the influence of the structure of fibrous composites on their mechanical properties. New Materials and Technologies in Metallurgy and Mechanical Engineering, (1), 18–23. https://doi.org/10.15588/1607-6885-2024-1-3
Shalomeev, V., Sheyko, S., Hrechanyi, O., Vasilchenko, T., Vinichenko, V., & Korobko, O. (2025). Study of the influence of pulse heating on the structure and properties of reinforcing fibers from tungsten-rhenium alloys. Journal of Alloys and Metallurgical Systems, 11, 100209. https://doi.org/10.1016/j.jalmes.2025.100209
Shelley, J. S., LeClaire, R., & Nichols, J. (2001). Metal-matrix composites for liquid rocket engines. JOM, 53 (4), 18–21. https://doi.org/10.1007/s11837-001-0140-6
Chabok, A., Van Der Aa, E., Basu, I., De Hosson, J., & Pei, Y. (2018). Effect of pulse scheme on the microstructural evolution, residual stress state and mechanical performance of resistance spot welded DP1000-GI steel. Science and Technology of Welding and Joining, 23 (8), 649–658. https://doi.org/10.1080/13621718.2018.1452875
Dong, P., Wang, Z., Wang, W., Chen, S., & Zhou, J. (2016). Understanding the spark plasma sintering from the view of materials joining. Scripta Materialia, 123, 118–121. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.06.014
Hu, Z. Y., Zhang, Z. H., Cheng, X. W., Wang, F. C., Zhang, Y. F., & Li, S. L. (2020). A review of multi-physical fields induced phenomena and effects in spark plasma sintering: Fundamentals and applications. Materials & Design, 191, 108662. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108662
Asadi, P., Akbari, M., Aydiner, P., Moghanian, A., Salarvand, V., & Safaee, S. (2025). Spark plasma sintering: A solid-state sustainable recycling technique. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2025.12.002
Ponmalai, S., & Chinnathambi, D. (2025). Development and characterization of graphene-reinforced Inconel 825 composite alloy for high temperature applications. Materials Science-Poland, 43 (2), 63–77. https://doi.org/10.2478/msp-2025-0019
Daoush, W. M., Inam, F., Hong, S. H., Olevsky, E., & German, R. M. (2025). Novel synthesis of CNTs-Si3N4/Cu nanocomposites: Electroless deposition, powder metallurgy, spark plasma sintering, microstructure, and physical properties. Frontiers in Materials, 12, 1427381. https://doi.org/10.3389/fmats.2025.1427381
Vidyuk, T. M., & Dudina, D. V. (2022). Electric current-assisted joining of similar/dissimilar materials. In Joining processes for dissimilar and advanced materials (pp. 151–176). https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85399-6.00017-5
Wang, Y., Rao, Z., & Wang, F. (2020). Heat evolution and nugget formation of resistance spot welding under multi-pulsed current waveforms. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 111 (11), 3583–3595. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06337-z
Koval, A. D., Lavrenko, A. S., Natapov, B. S., et al. (1989). Method for manufacturing multilayer shells from composite material (USSR Patent No. 1519023). Bulletin No. 40.
Ma, X., & Peyton, A. J. (2006). Eddy current measurement of the electrical conductivity and porosity of metal foams. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 55 (2), 570–576. https://doi.org/10.1109/TIM.2006.873549
Ma, X., Peyton, A. J., & Zhao, Y. Y. (2006). Eddy current measurements of electrical conductivity and magnetic permeability of porous metals. NDT & E International, 39(7), 562–568. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2006.03.008
Gao, P., Wang, C., Li, Y., & Cong, Z. (2015). Electromagnetic and eddy current NDT in weld inspection: A review. Insight - Non-Destructive Testing and Condition Monitoring, 57(6), 337–345. https://doi.org/10.1784/insi.2015.57.6.337
Meng, T., Tao, Y., Chen, Z., Avila, J. R. S., Ran, Q., Shao, Y., ... & Yin, W. (2021). Depth evaluation for metal surface defects by eddy current testing using deep residual convolutional neural networks. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 70, 1–13. https://doi.org/10.1109/TIM.2021.3117367
Noguchi, Y., Tsunokai, M., Nakata, K., & Takeda, N. (2019). Applicability of eddy current technique in in-bore NDT tool for ITER hydraulic pipe welds. Fusion Engineering and Design, 146, 2571–2576. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.04.044
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 В. А. Шаломєєв , В. С. Вініченко , О.В. Коробко , Д.І. Пархісенко
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
