Мікроструктура та властивості доевтектичного силуміну, обробленого потужньострумовими імпульсними електронними пучками

Ю. Ф. Іванов$^{1,2}$, Д. В. Загуляєв$^{3}$, С. А. Невський$^{3}$, В. Є. Громов$^{3}$, В. Д. Саричев$^{3}$, А. П. Семін$^{3}$

$^1$Інститут сильноточної електроніки СВ РАН, просп. Академічний, 2/3, 634055, Томськ, РФ
$^2$Національний дослідницький Томський політехнічний університет, просп. Академічний, 2/3, 634055, Томськ, РФ
$^3$Сибірський державний індустріальний університет, вул. Кірова, 42, 654007 Новокузнецьк, РФ

Отримана: 26.03.2019; остаточний варіант — 17.08.2019. Завантажити: PDF logoPDF

Методами сучасного фізичного матеріалознавства досліджено структурно-фазові стани, мікротвердість і трибологічні властивості доевтектичного силуміну після електронно-пучкового оброблення. Об’єктом дослідження був доевтектичний силумін марки АК10М2Н із вмістом 87,88 ваг.% Al й 11,1 ваг.% Si як головних компонентів. Поверхню силуміну піддавали електронно-пучковому обробленню в шістьох різних режимах, що різняться густиною енергії пучка електронів. Міряння мікротвердости модифікованих поверхневих шарів силуміну уможливили визначення трьох оптимальних режимів впливу (з густинами енергії пучка електронів у 25, 30 і 35 Дж/см$^{2}$), при яких мікротвердість підданих модифікації шарів перевищує мікротвердість литого силуміну: 0,86 ± 0,041 ГПа — литий стан; 0,93 ± 0,052 ГПа — для 25 Дж/см$^{2}$; 0,97 ± 0,071 ГПа — для 30 Дж/см$^{2}$; 0,96 ± 0,103 ГПа — для 35 Дж/см$^{2}$. Виявлено, що електронно-пучкове оброблення з оптимальними параметрами приводить до формування поверхні, механічні та трибологічні характеристики якої значно перевищують відповідні значення для силуміну литого стану. Дані атомно-силової мікроскопії корелюють з результатами стосовно мікротвердости. Оброблені за представленими режимам зразки характеризуються дрібнозернистою комірчастою структурою, а також мають найменшу шерсткість обробленого шару (17–33 нм) і підкладинки (45–57 нм) порівняно з іншими режимами. Встановлено, що в обробленому шарі формується дрібнозерниста, ґрадієнтна, комірчаста структура, яка в міру віддалення від поверхні оброблення перетворюється у структуру змішаного типу. Товщина гомогенізованого шару варіюється залежно від параметрів електронно-пучкового оброблення і сягає максимальних значень у 100 мкм при густині енергії у 35 Дж/см$^{2}$. Виявлено, що модифікований шар вільний від інтерметалідів і складається із нанокристалічної структури комірчастої кристалізації. Висловлено припущення, що ці два чинники спричинюють підвищення механічних і трибологічних характеристик модифікованого шару. Запропоновано механізм утворення структури комірчастої та стовпчастої кристалізації, який полягає у виникненні термокапілярної нестійкости на межі поділу «випарувана речовина/рідка фаза». Розроблено математичний модель теплового впливу електронного пучка на поверхневі шари силуміну.

Ключові слова: фізична природа, математичні моделі, структура, властивості, доевтектичний силумін, електронно-променеве оброблення, фазовий склад.

Citation: Yu. F. Ivanov, D. V. Zagulyaev, S. A. Nevskii, V. Е. Gromov, V. D. Sarychev, and A. P. Semin, Microstructure and Properties of Hypoeutectic Silumin Treated by High-Current Pulsed Electron Beams, Usp. Fiz. Met., 20, No. 3: 447–484 (2019); doi: 10.15407/ufm.20.03.447


Цитована література (59)  
    1. A. B. Belov, O. A. Bytsenko, A. V. Krainikov, A. F. Lvov, A. S. Novikov, A. G. Paikin, A. D. Teriaev, D. A. Teriaev, K. I. Tvagenko, V. A. Shulov, and V. I. Engelko, Sil’notochnyye Impul’snyye Ehlektronnyye Puchki dlya Aviatsionnogo Dvigatelestroeniya [High-Current Pulsed Electron Beams for Aircraft Engine Construction] (Moscow: Dipak: 2012) (in Russian).
    2. V. Engelko, B. Yatsenko, G. Mueller, and Y. Bluhm, Vacuum, 62: 211 (2001). Crossref
    3. G. E. Ozur, D. I. Proskurovsky, V. P. Rotshtein, and A. B. Markov, Laser and Part. Beams, 21: 157 (2003). Crossref
    4. V. P. Rotshtein, Yu F. Ivanov, D. I. Proskurovsky, K. V. Karlik, I. A. Shulepov, and A. B. Markov, Surf. Coat. Tech., 180–181: 382 (2004). Crossref
    5. D. I. Proskurovsky, V. P. Rotshtein, G. E. Ozur, Yu F. Ivanov, and A. B. Markov, Surf. Coat. Tech., 125: 49 (2000). Crossref
    6. P. Wenhai, H. Shengzhi, C. Jun, L. Wei, Z. Limin, D. Jun, Int. J. Refr. Met. Hard Mat., 78: 233 (2019). Crossref
    7. Y. Hangyu, C. Yuyong, W. Xiaopeng, and K. Fantao, J. Alloys and Comp., 750: 617 (2018). Crossref
    8. J. Wei, W. Langping, and W. Xiaofeng, Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. B, 436: 63 (2018). Crossref
    9. P. Petrov, D. Dechev, N. Ivanov, T. Hikov, S. Valkov, M. Nikolova, E. Yankov, S. Parshorov, R. Bezdushnyi, and A. Andreeva, Vacuum, 154: 264 (2018). Crossref
    10. B. Gao, N. Xu, and P. Xing, Mat. Lett., 237: 180 (2019). Crossref
    11. Z. Chen, Y. Liu, H. Wu, W. Zhang, W. Guo, H. Tang, and N. Liu, Appl. Surf. Sci., 357: 2347 (2015). Crossref
    12. P. Yu, M. Yan, D. Tomus, C. A. Brice, C. J. Bettles, B. Muddle, and M. Qian, Mat. Charact., 143: 43 (2018). Crossref
    13. B. Gao, S. Hao, J. Zou, W. Wu, G. Tu, and C. Dong, Surf. Coat. Tech., 201: 6297 (2007). Crossref
    14. Y. Qin, C. Dong, X. Wang, S. Hao, A. Wu, J. Zou, and Y. Liu, J. Vac. Sci. Tech. A, 21: 1934 (2003). Crossref
    15. J. Zou, Y. Qin, C. Dong, X. Wang, W. Almin, and S. Hao, J. Vac. Sci. Tech. A, 22: 545 (2004). Crossref
    16. Yu. F. Ivanov, V. Е. Gromov, S. V. Konovalov, D. V. Zagulyaev, Е. А. Petrikova, and А. P. Semin, Usp. Fiz. Met., 19, No. 2: 195 (2018). Crossref
    17. D. Lu, B. Gao, G. Zhu, J. Lv, and L. Hu, High Temp. Mat. Process., 36: 97 (2017). Crossref
    18. B. Gao, L. Hu, S. Li, Y. Hao, Y. Zhang, and G. Tu, Appl. Surf. Sci., 346: 147 (2015). Crossref
    19. J. Feng, H. Wu, J. He, B. Zhang, Mat. Charact., 54: 99 (2005). Crossref
    20. V. D. Sarychev, S. A. Nevskii, S. V. Konovalov, A. Yu. Granovskii, and V. E. Gromov, Mat. Res. Express, 6: 026540 (2019). Crossref
    21. S. Biamino, A. Penna, U. Ackelid, S. Sabbadini, and O. Tassa, Intermetallics, 19: 776 (2011). Crossref
    22. D. V. Zagulyaev, S. V. Konovalov, V. E. Gromov, A. M. Glezer, Yu. F. Ivanov, and R. V. Sundeev, Mat. Lett., 229: 377 (2018). Crossref
    23. F. Kh. Mirzoev, V. Ya. Panchenko, and L. A. Shelepin, Phys.-Usp., 39: 1 (1996). Crossref
    24. E. B. Levchenko and A. L. Chernyakov, Sov. Phys. JETP, 54: 102 (1981).
    25. E. B. Levchenko and A. L. Chernyakov, Fiz. Kh. Obr. Mat., 1: 129 (1983) (in Russian).
    26. M. Takashima, J. Phys. Soc. Japan, 50: 2745 (1981). Crossref
    27. E. A. Ryabitskii, Fluid Dynamics, 27: 313 (1992). Crossref
    28. M. G. Velarde, P. L. Garcia-Ybarra, and J. L. Castillo, Phys. Chem. Hydr., 9: 387 (1987).
    29. I. Hashim and S. K. Wilson, Z. angew. Math. Phys., 50: 546 (1999). Crossref
    30. V. D. Sarychev, S. A. Nevskii, S. V. Konovalov, I. A. Komissarova, and E. V. Chermushkina, IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., 91: 012028 (2015). Crossref
    31. S. V. Konovalov, X. Chen, V. D. Sarychev, S. A. Nevskii, V. E. Gromov, and M. Trtica, Metals, 7: 1 (2017). Crossref
    32. Yu. F. Ivanov, O. V. Krysina, M. Rygina, E. A. Petrikova, A. D. Teresov, V. V. Shugurov, O. V. Ivanova, and I. A. Ikonnikova, High. Temp. Mat. Process., 18, No. 4: 311 (2014). Crossref
    33. Yu. F. Ivanov and N. N. Koval, Nizkoehnergeticheskie Ehlektronnyye Puchki Submillisekundnoy Dlitel’nosti Vozdeistviya: Poluchenie i Nekotoryye Aspekty Primeneniya v Oblasti Materialovedeniya [Low-Energy Electron Beams of Submillisecond Exposure Duration: Production and Some Aspects of Application in Materials Science] (Ed. A. I. Potekaeva) (Tomsk: Publishing House of NTL: 2007) (in Russian).
    34. K. V. Sosnin, V. E. Gromov, and Yu. F. Ivanov, Struktura, Fazovyy Sostav i Svoistva Titana Posle Ehlektrovzryvnogo Legirovaniya Ittriem i Ehlektronno-Puchkovoy Obrabotki [Structure, Phase Composition and Properties of Titanium after Electroexplosive Doping with Yttrium and Electron Beam Processing] (Novokuznetsk: Poligrafist: 2015) (in Russian).
    35. C. A. Schuh, Mater. Today, 9: 32 (2007). Crossref
    36. Modul’ Obrabotki Izobrazheniy Image Analysis P9: Spravochnoye Rukovodstvo [Image Analysis P9: Reference Guide] (Zelenograd: NT-MDT: 2016) (in Russian).
    37. Sherokhovatost’ Poverkhnosti. Terminy i Opredeleniya [Surface Roughness. Terms and Definitions.]: GOST 25142-82 (1982) (in Russian).
    38. Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials (Ed. Challa S. S. R. Kumar) (Berlin–Heidelberg: Springer-Verlag: 2014). Crossref
    39. Transmission Electron Microscopy (Eds. B. Carter and D. B. Williams) (Springer International Publishing Switzerland: 2016). Crossref
    40. R. F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM, SEM, and AEM (Springer International Publishing Switzerland: 2016). Crossref
    41. A. G. Prigunova, N. A. Belov, and Yu. N. Taran, Siluminy. Atlas Mikrostruktur i Fraktogramm Promyshlennykh Splavov [Silumins. Atlas of Microstructures and Fractographs of Industrial Alloys] (Moscow: MISiS: 1996) (in Russian).
    42. Yu. V. Milman, S. I. Chugunova, I. V. Goncharova, and А. А. Golubenko, Usp. Fiz. Met., 19, No. 3: 271 (2018). Crossref
    43. A. P. Laskovnev, Yu. F. Ivanov, amd E. A. Petrikova, Modifikatsiya Struktury i Svoistv Ehvtekticheskogo Silumina Ehlektronno-Ionno-Plazmennoy Obrabotkoy [Modification of the Structure and Properties of Eutectic Silumin by Electron–Ion–Plasma Treatment] (Minsk: Navuka: 2013) (in Russian).
    44. S. V. Panin, A. E. Kolgachev, Yu. I. Pochivalov, V. E. Panin, and I. G. Goriacheva, Fizicheskaya Mezomekhanika, 8: 101 (2005) (in Russian).
    45. Yu. F. Ivanov and N. N. Koval, Struktura i Svoistva Perspektivnykh Metallicheskikh Materialov [Structure and Properties of the Promising Metallic Materials] (Ed. A. Potekaev) (Tomsk: Publishing House of NTL: 2007), Ch. 13, p. 345 (in Russian).
    46. V. Rotshtein, Yu. Ivanov, and A. Markov, Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques (Ed. Y. Pauleau) (Amsterdam: Elsevier Science: 2006), Ch. 6, p. 205.
    47. Yu. A. Denisova, Yu. F. Ivanov, and O. V. Ivanova, Ehvolyutsiya Struktury Poverkhnostnogo Sloya Stali, Podvergnutoy Ehlektronno-Ionno-Plazmennym Metodam Obrabotki [Evolution of the Structure of the Steel Surface Layer Subjected to Electron–Ion–Plasma Processing Methods] (Eds. N. N. Koval and Yu. F. Ivanov) (Tomsk: Publishing House of NTL: 2007).
    48. Yu. Ivanov, K. Alsaraeva, V. Gromov, S. Konovalov, and O. Semina, Mat. Sci. Technol., 31: 1523 (2015). Crossref
    49. N. A. Belov, S. V. Savchenko, and A. V. Hvan, Fazovyy Sostav i Struktura Siluminov [Phase Composition and Structure of Silumins] (Moscow: MISiS: 2008) (in Russian).
    50. V. S. Zolotorevskiy and N. A. Belov, Metallovedenie Liteinykh Alyuminievykh Splavov [Metal Science of Cast Aluminium Alloys] (Moscow: MISiS: 2005) (in Russian).
    51. N. A. Belov, Fazovyy Sostav Alyuminievykh Splavov [Phase Composition of Aluminium Alloys] (Moscow: MISiS: 2009) (in Russian).
    52. G. B. Stroganov, V. A. Rotenberg, and G. B. Gershman, Splavy Alyuminiya s Kremniem [Aluminium Alloys with Silicon] (Moscow: Metallurgiya: 1977) (in Russian).
    53. A. P. Babichev, Fizicheskie Velichiny: Spravochnik [Physical Quantities: Handbook] (Eds. I. S. Grigorieva and E. Z. Meilikhov) (Moscow: Energoatomizdat: 1991) (in Russian).
    54. D. Brandon and U. Kaplan, Mikrostruktura Materialov. Metody Issledovaniya i Kontrolya [Microstructure of Materials. Methods of Study and Control] (Moscow: Tekhnosfera: 2006) (in Russian).
    55. B. Cheynet, J.-D. Dubois, and M. Milesi, Technique de l’Ingenier, Traité Materiaux Metalliques (Strasbourg: Imprimerie Strasbourgeoise: 1993), p. M 64-1 (in French).
    56. A. Samarskii, P. N. Vabishchevich, O. P. Iliev, and A. G. Churbanov, Int. J. Heat Mass Transfer., 36: 4095 (1993). Crossref
    57. Y. F. Ivanov, E. A. Petrikova, O. V. Ivanova, I. A. Ikonnikova, and A. V. Tkachenko, Rus. Phys. J., 58: 478 (2015). Crossref
    58. E. Aursand, S. H. Davis, and T. Ytrehus, J. Fluid Mech., 852: 283 (2018). Crossref
    59. V. A. Urpin and D. G. Yakovlev, Zh. Tekhn. Fiz., 59, No. 2: 19 (1989) (in Russian).