Вплив високоінтенсивного електронного пучка на кристалічну будову, фазовий склад і властивості стопів Al

Випуски $\rightarrow$ Том 22, випуск 1 (2021)

Вплив високоінтенсивного електронного пучка на кристалічну будову, фазовий склад і властивості стопів Al–Si з різним вмістом Силіцію

Д. В. Загуляєв$^1$, С. В. Коновалов$^2$, Ю. Ф. Іванов$^3$, В. Є. Громов$^1$, В. В. Шляров$^1$, Ю. А. Рубаннікова$^1$

$^1$Сибірський державний індустріальний університет, вул. Кірова, 42, 654007 Новокузнецьк, Російська Федерація
$^2$Самарський національний дослідницький університет імені академіка С.П. Корольова, Московське шосе, 34, 443086 Самара, Російська Федерація
$^3$Інститут сильнострумової електроніки СВ РАН, просп. Академічний, 2/3, 634055 Томськ, Російська Федерація

Отримано 08.12.2020; остаточна версія — 19.02.2021 Завантажити  PDF

Анотація
Роботу спрямовано на вивчення елементного та фазового складу, мікроструктурної еволюції, параметра та мікроспотворень кристалічної ґратниці та розміру ділянки когерентного розсіяння у стопах Al–10,65Si–2,11Cu і Al–5,39Si–1,33Cu, оброблюваних високоінтенсивним електронним пучком. Методами рентґенофазової аналізи встановлено, що у вихідному стані основними фазами досліджуваних стопів є твердий розчин на основі алюмінію, силіцій та інтерметаліди, а також наявна фаза складу Fe₂Al₉Si₂. У стопі Al–10,65Si–2,11Cu додатково виявлено фазу Cu₉Al₄. Опромінення стопів імпульсним електронним пучком супроводжується зміною параметра кристалічної ґратниці Al–10,65Si–2,11Cu (твердий розчин на основі алюмінію) та Al–5,39Si–1,33Cu (фази Al₁ і Al₁). Ймовірно, причиною зміни параметра кристалічної ґратниці в стопах Al–10,65Si–2,11Cu та Al–5,39Si–1,33Cu є зміна концентрації леґувальних елементів у твердому розчині даних фаз. Встановлено, що при густині пучка електронів у 30 і 50 Дж/см² у модифікованому шарі спостерігається розчинення силіцію та інтерметалідів. Сучасні методи фізичного матеріялознавства уможливили встановити, що в результаті опромінення поверхні матеріялу формується шар з нанокристалічною структурою коміркової кристалізації. Товщина модифікованого шару варіюється залежно від параметрів електронно-пучкового оброблення й сягає максимального значення у 90 мкм за густини енергії у 50 Дж/см². За даними сканувальної (СЕМ) та просвітлювальної (ПЕМ) електронної мікроскопії частинки силіцію розташовуються на межах комірок. Подібні зміни структурно-фазових станів матеріялів позначаються й на механічних характеристиках. У якості характеристики поверхневих шарів використовували мікротвердість, параметр зношення та коефіцієнт тертя, значення яких визначали безпосередньо на поверхні опромінення, для всіх варіянтів модифікування. Показано, що при оброблянні поверхні матеріялу інтенсивним імпульсним електронним пучком відбувається збільшення зносостійкости та мікротвердости стопів Al–10,65Si–2,11Cu і Al–5,39Si–1,33Cu.

Ключові слова: виливані алюмінійові стопи, електронно-пучкове оброблення, мікроструктура, механічні властивості, структурно-фазові перетворення, сканувальна електронна мікроскопія, просвітлювальна електронна мікроскопія, мікротвердість, трибологічні випробування.

Citation: D. V. Zaguliaev, S. V. Konovalov, Yu. F. Ivanov, V. E. Gromov, V. V. Shlyarov, and Yu. A. Rubannikova, The Effect of High-Intensity Electron Beam on the Crystal Structure, Phase Composition, and Properties of Al–Si Alloys with Different Silicon Content, Progress in Physics of Metals, 22, No. 1: 129–157 (2021); doi: 10.15407/ufm.22.01.129

Цитована література

V.Ya. Ivanchuk, Tekhnol. Mashinostr., 1: 73 (2001) (in Russian).
J.C. Benedyk, Materials, Design and Manufacturing for Lightweight Vehicles (Ed. P.K. Mallick) (Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering: 2010), p. 79; https://doi.org/10.1533/9781845697822.1.79.
D. Brough and H. Jouhara, Int. J. Thermofluids., 1–2: 100007 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ijft.2019.100007.
Q.G. Wang, Metall. Mater. Trans. A, 34: 2887 (2003); https://doi.org/10.1007/s11661-003-0189-7.
T. Wei, F. Yan, and J. Tian, J. Alloys & Compd., 389: 169 (2005); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.05.084.
M. Liu, J. Chen, Y. Lin, Z. Xue, H.J. Roven, and P.C. Skaret, Prog. Nat. Sci. Mater. Int., 30: 485 (2020); https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2020.07.005.
C. Rochet, E. Andrieu, B. Arfaei, J.-P. Harouard, A. Laurino, T.C. Lowe, G. Odemer, and C. Blanc, Int. J. Fatigue, 140: 105812 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105812.
V. Andreyachshenko, Mater. Lett., 254: 433 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.07.127.
K. Natori, H. Utsunomiya, and T. Tanaka, J. Mater. Process. Technol., 240: 240 (2017); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.09.022.
Z. Zribi, H.H. Ktari, F. Herbst, V. Optasanu, and N. Njah, Mater Charact., 153: 190 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.04.044.
M. Ebrahimi, M.H. Shaeri, R. Naseri, and C. Gode, Mater. Sci. Eng. A, 731: 569 (2018); https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.06.080.
M. Hockauf, L.W. Meyer, B. Zillmann, M. Hietschold, S. Schulze, and L. Krüger, Mater. Sci. Eng. A, 503: 167 (2009); https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.02.051.
W. Xue, X. Shi, M. Hua, and Y. Li, Appl. Surf. Sci., 253: 6118 (2007); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.01.018.
N.Y. Dudareva, L.I. Zaynullina, and E.I. Ustimova, Mater. Today Proc., 11: 181 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.12.128.
M. Mohedano, E. Matykina, R. Arrabal, B. Mingo, and A. Pardo, Appl. Surf. Sci., 346: 57 (2015); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.03.206.
K. Li, W. Li, G. Zhang, W. Zhu, F. Zheng, D. Zhang, and M. Wang, J. Alloys & Compd., 790: 650 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.03.217.
J. He, Q.Z. Cai, H.H. Luo, L. Yu, and B.K. Wei, J. Alloys & Compd., 471: 395 (2009); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.03.114.
P. He, L. Tang, G. Ma, H. Wang, S. Chen, M. Liu, S. Ding, Y. Bai, J.Tang, and D. He, Appl. Surf. Sci., 530: 147246 (2020); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147246.
H. Bian, K. Aoyagi, Y. Zhao, C. Maeda, T. Mouri, and A. Chiba, Addit. Manuf., 32: 100982 (2020); https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100982.
W. Shaogang, H. Yan, and Z. Li, Met. Mater. Eng., 47, No. 7: 1973 (2018). https://doi.org/10.1016/S1875-5372(18)30167-X.
Yu.F. Ivanov, V.Е. Gromov, D.V. Zagulyaev, S.V. Konovalov, Yu.A. Rubannikova, and A. P. Semin, Prog. Phys. Met., 21, No. 3: 345 (2020); https://doi.org/10.15407/ufm.21.03.345.
Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, D.V. Zagulyaev, S.V. Konovalov, Yu.A. Rubannikova, and A.P. Semin, Prog. Phys. Met., 20, No. 4: 634 (2019); https://doi.org/10.15407/ufm.20.04.634.
Yu.F. Ivanov, D.V. Zagulyaev, S.A. Nevskii, V.Е. Gromov, V.D. Sarychev, and A.P. Semin, Prog. Phys. Met., 20, No. 3: 447 (2019); https://doi.org/10.15407/ufm.20.03.447.
Yu.F. Ivanov, V.Е. Gromov, S.V. Konovalov, D.V. Zagulyaev, Е.А. Petrikova, and А.P. Semin, Prog. Phys. Met., 19, No. 2: 195 (2018); https://doi.org/10.15407/ufm.19.02.195.
V. E. Kormyshev, V.E. Gromov, Yu.F. Ivanov, and S.V. Konovalov, Usp. Fiz. Met., 18, No. 2: 111 (2017) (in Russian); https://doi.org/10.15407/ufm.18.02.111.
А.D. Teresov, V.V. Shugurov, Yu.F. Ivanov, Yu.А. Denisova, Е.А. Petrikova, and N.N. Koval’, Izvestiya Vuzov. Fizika, 58: 112 (2015) (in Russian).
V.А. Shulov, А.N. Gromov, D.А. Teryaev, and V.I. Engel’ko, Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nyye Pokrytiya, No. 1: 38 (2015) (in Russian); https://doi.org/10.17073/1997-308X-2015-1-38-48.
V.А. Shulov, V.I. Engelko, А.N. Gromov, D.А. Тeryaev, О.А. Bytsenko, and G.G. Shivaryants, Physics and Chemistry of Materials Treatment, No. 5: 22 (2015) (in Russian).
T.C. Zhang, K.M. Zhang, J.X. Zou, P. Yan, H.Y. Yang, L.X. Song, and X. Zhang, J Alloys & Compd., 788: 231 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.130.
X. Zhang, K. Zhang, J. Zou, P. Yan, L. Song, and Y. Liu, Vacuum, 173: 109132 (2020); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.109132.
L. Wang, K. Wang, N. Erkan, Y. Yuan, J. Chen, B. Nie, F. Li, and K. Okamoto, Appl. Surf. Sci., 511: 145555 (2020); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.145555.
P. Yu, M. Yan, D. Tomus, C.A. Brice, C.J. Bettles, B. Muddle, and M. Qian, Mater. Charact., 143: 43 (2018); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.09.005.
B. Gao, N. Xu, and P. Xing, Mater Lett., 237: 180 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.11.054.
H. Li, W. Xu, Z. Wang, B. Fang, R. Song, and Z. Zheng, Mater. Sci. Eng. A, 650: 254 (2016); https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.10.051.
P. Yan, T. Grosdidier, X. Zhang, and J. Zou, Mater. Design, 159: 1 (2018); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.08.033.
P. Yan, J. Zou, C. Zhang, and T. Grosdidier, Appl. Surf. Sci., 504: 144382 (2020); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144382.
B. Gao, Y. Hao, W.F. Zhuang, G.F. Tu, W.X. Shi, S.W. Li, S.Z. Hao, C. Dong, and M.C. Li, Phys. Procedia, 18: 187 (2011); https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.06.079.
J. An, X.X. Shen, Y. Lu, Y.B. Liu, R.G. Li, C.M. Chen, and M.J. Zhang, Surf. Coatings Technol., 200, Nos. 18–19: 5590 (2006); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.07.106.
N.N. Koval’ and Y.F. Ivanov, Russ Phys. J., 51: 505 (2008); https://doi.org/10.1007/s11182-008-9073-7.
D. Zaguliaev, S. Konovalov, Y. Ivanov, and V. Gromov, Appl. Surf. Sci., 498: 143767 (2019); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143767.
B. Daemi, R. Tomkowski, and A. Archenti, CIRP Ann., 69, No. 1: 433 (2020); https://doi.org/10.1016/j.cirp.2020.03.022.
A.P. Babichev, O.N. Babushkina, and A.M. Bratkovsky, Fizicheskie Velichiny: Spravochnik [Physical Values: Reference Book] (Мoscow: Energoatomizdat: 1991) (in Russian).
D. Zaguliaev, I. Chumachkov, Y. Ivanov, A. Abaturova, A. Ustinov, and A. Semin, 2020 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE) (14–26 Sept. 2020, Tomsk, Russia) (IEEE: 2020), p. 737; https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9242140.
S. Konovalov, D. Zaguliaev, Y. Ivanov, V. Gromov, and A. Abaturova, J. Mater. Res. Technol., 9, No. 3: 5591 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.03.083.
D. Zaguliaev, S. Konovalov, Y. Ivanov, A. Abaturova, and A. Leonov, Arch. Foundry Eng., 20, No. 3: 92 (2020); https://doi.org/10.24425/afe.2020.133336.
V.V. Shlyarov, D.V. Zaguliaev, A.A. Abaturova, A.A. Leonov, and A.M. Ustinov, Basic Problems of Material Science, 17, No. 1: 32 (2020) (in Russian); https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2020.01.005.
D.V. Zagulyaev, V.E. Gromov, S.V. Konovalov, A.M. Glezer, S.V. Panin, and Yu.F. Ivanov, Russ. Metall., 2019: 981 (2019); https://doi.org/10.1134/S0036029519100318.