Структура и свойства доэвтектического силумина, подвергнутого комплексной электронно-ионной плазменной обработке
Ю. Ф. Иванов1, В. Е. Громов2, Д. В. Загуляев2, С. В. Коновалов3, Ю. А. Рубанникова2, А. П. Семин2
1Институт сильноточной электроники СО РАН, просп. Академический, 2/3, 634055 Томск, РФ
2Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007 Новокузнецк, РФ
3Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва, Московское шоссе, 34, 443086 Самара, РФ
Получена 04.07.2019; окончательный вариант — 08.11.2019
Скачать: PDF
Методами современного физического материаловедения исследованы структурно-фазовые состояния, микротвёрдость и трибологические свойства доэвтектического силумина после электронно-пучковой обработки. Объектом исследования являлся доэвтектический силумин марки АК10М2Н с содержанием 87,88 вес.% Al и 11,1 вес.% Si как главных компонентов. Поверхность силумина подвергалась электронно-пучковой обработке в шести различных режимах, отличающихся плотностью энергии пучка электронов. Измерения микротвёрдости модифицированных поверхностных слоёв силумина позволили определить три оптимальных режима воздействия (с плотностями энергии пучка электронов 25, 30 и 35 Дж/см2), при которых микротвёрдость повергнутых модификации слоёв превышает микротвёрдость литого силумина: 0,86 ± 0,041 ГПа — литое состояние; 0,93 ± 0,052 ГПа — для 25 Дж/см2; 0,97 ± 0,071 ГПа — для 30 Дж/см2; 0,96 ± 0,103 ГПа — для 35 Дж/см2. Обнаружено, что электронно-пучковая обработка с оптимальными параметрами приводит к формированию поверхности, механические и трибологические характеристики которой значительно превышают соответствующие значения для силумина литого состояния. Данные атомно-силовой микроскопии коррелируют с результатами по микротвёрдости. Обработанные по представленным режимам образцы характеризуются мелкозернистой ячеистой структурой, а также имеют наименьшую шероховатость обработанного слоя (17–33 нм) и подложки (45–57 нм) по сравнению с другими режимами. Установлено, что в обработанном слое формируется мелкозернистая, градиентная, ячеистая структура, которая по мере удаления от поверхности обработки превращается в структуру смешанного типа. Толщина гомогенизированного слоя варьируется в зависимости от параметров электронно-пучковой обработки и достигает максимальных значений 100 мкм при плотности энергии 35 Дж/см2. Обнаружено, что модифицированный слой свободен от интерметаллидов и состоит из нанокристаллической структуры ячеистой кристаллизации. Высказано предположение, что эти два фактора являются причиной повышенных механических и трибологических характеристик модифицированного слоя. Предложен механизм образования структуры ячеистой и столбчатой кристаллизации, который заключается в возникновении термокапиллярной неустойчивости на границе раздела «испарённое вещество/жидкая фаза». Разработана математическая модель теплового воздействия электронного пучка на поверхностные слои силумина.
Ключевые слова: доэвтектический силумин, электровзрывное легирование, титан, иттрий, электронно-пучковая обработка, структура, фазовый состав, износостойкость.
Citation: Yu. F. Ivanov, V. E. Gromov, D. V. Zagulyaev, S. V. Konovalov, Yu. A. Rubannikova, and A. P. Semin, The Structure and Properties of a Hypoeutectic Silumin Subjected to Complex Electron–Ion-Plasma Processing, Prog. Phys. Met., 20, No. 4: 634–671 (2019); doi: 10.15407/ufm.20.04.634