ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ СПЛАВУ AA5056, АРМОВАНИХ BN, ZrO2 і Si3N4
Cast aluminum matrix composites (MMCs) produced by stir casting are of considerable interest due to their technological simplicity, relatively low cost, and the possibility of scalable manufacturing of components with balanced mechanical and casting properties. For Al—Mg alloys, particularly AA5056,...
Saved in:
| Date: | 2026 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
National Academy of Sciences of Ukraine, Physical-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/article/view/322 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Casting Processes |
Institution
Casting Processes| _version_ | 1867026077996548097 |
|---|---|
| author | Ліхацький, Р.Ф. Ліхацький, І.Ф. Твердохвалов, В.О. Фон Прусс, М.А. Фурманюк, Я.Г. Матвієць, Є.О. |
| author_facet | Ліхацький, Р.Ф. Ліхацький, І.Ф. Твердохвалов, В.О. Фон Прусс, М.А. Фурманюк, Я.Г. Матвієць, Є.О. |
| author_sort | Ліхацький, Р.Ф. |
| baseUrl_str | https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-02T11:23:55Z |
| description | Cast aluminum matrix composites (MMCs) produced by stir casting are of considerable interest due to their technological simplicity, relatively low cost, and the possibility of scalable manufacturing of components with balanced mechanical and casting properties. For Al—Mg alloys, particularly AA5056, the elevated magnesium content provides favorable conditions for improved wettability of dispersed particles and enables the implementation of dispersion and structural strengthening mechanisms. This study presents a comparative investigation of the influence of three types of reinforcing phases BN, ZrO2+BN, and Si3N4 on the formation of microstructure, porosity, fluidity, and mechanical properties of cast AA5056-based composites produced under identical stir-casting conditions. It is shown that the introduction of 2 wt.% dispersed particles into the melt leads to significantly different effects, governed both by the barrier action of particles on dendrite growth and by possible interfacial interactions. The most pronounced positive effect is observed for boron nitride: significant grain refinement, a more uniform distribution of alloying elements within the microvolume, and the formation of a more homogeneous structure are achieved. This is accompanied by a simultaneous increase in ultimate tensile strength and ductility, indicating an effective combination of strengthening mechanisms without brittle failure. The ZrO2+BN hybrid system exhibits less pronounced structural changes, with partial retention of dendritic morphology and particle agglomeration, which limits the efficiency of structural modification. At the same time, this composition demonstrates a compromise between strength, ductility, and fluidity, which is important for cast product manufacturing. The addition of Si3N4 results in increased strength due to grain refinement and possible local interfacial reactions; however, it is accompanied by a decrease in ductility due to stress concentration and the probable formation of brittle interaction products, such as interfacial nitride and silicide phases. As a result, the governing relationships between structure formation and property evolution in cast AA5056-based MMCs depending on the nature of the reinforcing phase have been established. They include grain-boundary strengthening and reduced microsegregation for BN, structural heterogeneity for the hybrid system, and possible interfacial reactions for Si3N4. The obtained results can be used for optimization of composition and processing parameters to achieve the required balance between mechanical and casting properties of the materials. |
| doi_str_mv | 10.15407/plit2026.02.064 |
| first_indexed | 2026-06-03T01:02:16Z |
| format | Article |
| id | oai:oai.plit-periodical.org.ua:article-322 |
| institution | Casting Processes |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-06-03T01:02:16Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | National Academy of Sciences of Ukraine, Physical-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:oai.plit-periodical.org.ua:article-3222026-06-02T11:23:55Z FABRICATION OF CAST AA5056 ALLOY-BASED COMPOSITES REINFORCED WITH BN, ZrO2 AND Si3N4 ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ СПЛАВУ AA5056, АРМОВАНИХ BN, ZrO2 і Si3N4 Ліхацький, Р.Ф. Ліхацький, І.Ф. Твердохвалов, В.О. Фон Прусс, М.А. Фурманюк, Я.Г. Матвієць, Є.О. сплав AA5056 металоматричні композити перемішування розплаву нітрид бору діоксид цирконію нітрид кремнію мікроструктура механічні властивості рідкоплинність пористість AA5056 alloy metal matrix composite melt stiring boron nitride zirconia silicon nitride microstructure mechanical properties fluidity porosity Cast aluminum matrix composites (MMCs) produced by stir casting are of considerable interest due to their technological simplicity, relatively low cost, and the possibility of scalable manufacturing of components with balanced mechanical and casting properties. For Al—Mg alloys, particularly AA5056, the elevated magnesium content provides favorable conditions for improved wettability of dispersed particles and enables the implementation of dispersion and structural strengthening mechanisms. This study presents a comparative investigation of the influence of three types of reinforcing phases BN, ZrO2+BN, and Si3N4 on the formation of microstructure, porosity, fluidity, and mechanical properties of cast AA5056-based composites produced under identical stir-casting conditions. It is shown that the introduction of 2 wt.% dispersed particles into the melt leads to significantly different effects, governed both by the barrier action of particles on dendrite growth and by possible interfacial interactions. The most pronounced positive effect is observed for boron nitride: significant grain refinement, a more uniform distribution of alloying elements within the microvolume, and the formation of a more homogeneous structure are achieved. This is accompanied by a simultaneous increase in ultimate tensile strength and ductility, indicating an effective combination of strengthening mechanisms without brittle failure. The ZrO2+BN hybrid system exhibits less pronounced structural changes, with partial retention of dendritic morphology and particle agglomeration, which limits the efficiency of structural modification. At the same time, this composition demonstrates a compromise between strength, ductility, and fluidity, which is important for cast product manufacturing. The addition of Si3N4 results in increased strength due to grain refinement and possible local interfacial reactions; however, it is accompanied by a decrease in ductility due to stress concentration and the probable formation of brittle interaction products, such as interfacial nitride and silicide phases. As a result, the governing relationships between structure formation and property evolution in cast AA5056-based MMCs depending on the nature of the reinforcing phase have been established. They include grain-boundary strengthening and reduced microsegregation for BN, structural heterogeneity for the hybrid system, and possible interfacial reactions for Si3N4. The obtained results can be used for optimization of composition and processing parameters to achieve the required balance between mechanical and casting properties of the materials. Металеві композиційні матеріали з алюмінієвою матрицею (МКМ), отримані методами лиття з перемішуванням, становлять значний інтерес завдяки поєднанню технологічної простоти, відносно низької вартості та можливості масштабованого виробництва виробів зі збалансованими механічними та ливарними характеристиками. Для сплавів системи Al–Mg, зокрема AA5056, підвищений вміст магнію створює сприятливі умови для змочування дис- персних частинок та реалізації механізмів дисперсійного і структурного зміцнення. У роботі проведено порівняльне дослідження впливу трьох типів армувальних фаз — BN, ZrO2+BN та Si3N4 — на формування мікроструктури, пористість, текучість і механічні властивості литих композитів на основі AA5056, отриманих за однакових умов лиття з перемішуванням. Показано, що введення 2 мас.% дисперсних частинок у розплав призводить до суттєво різних ефектів, ізумовлених як бар’єрною дією частинок на ріст дендритів, так і можливими міжфазними взаємодіями. Найбільш виражений позитивний ефект встановлено для нітриду бору: спостерігається істотне подрібнення зерна, вирівнювання розподілу легувальних елементів у мікрооб’ємі та формування більш однорідної структури. Це супроводжується одночасним підвищенням межі міцності при розтягу та пластичності, що свідчить про ефективне поєднання механізмів зміцнення без крихкого руйнування. Для гібридної системи ZrO2+BN характерні менш виражені структурні зміни зі збереженням дендритної морфології та частковою агломерацією частинок, що обмежує ефективність модифікування. Водночас така композиція демонструє компроміс між міцністю, пластичністю та текучістю, що є важ- ливим для виготовлення литих виробів. Додавання Si3N4 забезпечує підвищення міцності за рахунок подрібнення зерна та можливих локальних міжфазних реакцій, однак супроводжується зниженням пластичності внаслідок концентрації напружень та ймовірного утворення крихких продуктів взаємодії, таких як інтерфейсні нітридні та кремнієві фази. У результаті встановлено закономірності формування структури та властивостей литих МКМ на основі AA5056 залежно від природи армувальної фази. Вони полягають у переважанні міжзеренного зміцнення та зниженні мікросегрегації для BN, структурній неоднорідності для гібридної системи та можливих міжфазних реакціях для Si3N4. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації складу і технологічних параметрів з метою досягнення необхідного балансу між механічними та ливарними характеристиками матеріалів. National Academy of Sciences of Ukraine, Physical-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine 2026-05-29 Article Article application/pdf https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/article/view/322 10.15407/plit2026.02.064 Casting processes; Casting processes №2 (164) 2026; 64-77 Процеси лиття; Процеси лиття №2 (164) 2026; 64-77 2707-1626 0235-5884 en https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/article/view/322/332 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | сплав AA5056 металоматричні композити перемішування розплаву нітрид бору діоксид цирконію нітрид кремнію мікроструктура механічні властивості рідкоплинність пористість Ліхацький, Р.Ф. Ліхацький, І.Ф. Твердохвалов, В.О. Фон Прусс, М.А. Фурманюк, Я.Г. Матвієць, Є.О. ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ СПЛАВУ AA5056, АРМОВАНИХ BN, ZrO2 і Si3N4 |
| title | ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ СПЛАВУ AA5056, АРМОВАНИХ BN, ZrO2 і Si3N4 |
| title_alt | FABRICATION OF CAST AA5056 ALLOY-BASED COMPOSITES REINFORCED WITH BN, ZrO2 AND Si3N4 |
| title_full | ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ СПЛАВУ AA5056, АРМОВАНИХ BN, ZrO2 і Si3N4 |
| title_fullStr | ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ СПЛАВУ AA5056, АРМОВАНИХ BN, ZrO2 і Si3N4 |
| title_full_unstemmed | ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ СПЛАВУ AA5056, АРМОВАНИХ BN, ZrO2 і Si3N4 |
| title_short | ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ СПЛАВУ AA5056, АРМОВАНИХ BN, ZrO2 і Si3N4 |
| title_sort | виготовлення литих композитів на основі сплаву aa5056, армованих bn, zro2 і si3n4 |
| topic | сплав AA5056 металоматричні композити перемішування розплаву нітрид бору діоксид цирконію нітрид кремнію мікроструктура механічні властивості рідкоплинність пористість |
| topic_facet | сплав AA5056 металоматричні композити перемішування розплаву нітрид бору діоксид цирконію нітрид кремнію мікроструктура механічні властивості рідкоплинність пористість AA5056 alloy metal matrix composite melt stiring boron nitride zirconia silicon nitride microstructure mechanical properties fluidity porosity |
| url | https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/article/view/322 |
| work_keys_str_mv | AT líhacʹkijrf fabricationofcastaa5056alloybasedcompositesreinforcedwithbnzro2andsi3n4 AT líhacʹkijíf fabricationofcastaa5056alloybasedcompositesreinforcedwithbnzro2andsi3n4 AT tverdohvalovvo fabricationofcastaa5056alloybasedcompositesreinforcedwithbnzro2andsi3n4 AT fonprussma fabricationofcastaa5056alloybasedcompositesreinforcedwithbnzro2andsi3n4 AT furmanûkâg fabricationofcastaa5056alloybasedcompositesreinforcedwithbnzro2andsi3n4 AT matvíêcʹêo fabricationofcastaa5056alloybasedcompositesreinforcedwithbnzro2andsi3n4 AT líhacʹkijrf vigotovlennâlitihkompozitívnaosnovísplavuaa5056armovanihbnzro2ísi3n4 AT líhacʹkijíf vigotovlennâlitihkompozitívnaosnovísplavuaa5056armovanihbnzro2ísi3n4 AT tverdohvalovvo vigotovlennâlitihkompozitívnaosnovísplavuaa5056armovanihbnzro2ísi3n4 AT fonprussma vigotovlennâlitihkompozitívnaosnovísplavuaa5056armovanihbnzro2ísi3n4 AT furmanûkâg vigotovlennâlitihkompozitívnaosnovísplavuaa5056armovanihbnzro2ísi3n4 AT matvíêcʹêo vigotovlennâlitihkompozitívnaosnovísplavuaa5056armovanihbnzro2ísi3n4 |