CC BY
12Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
УДК 533.9:539.4.015.2
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ СИЛУМИНА, СФОРМИРОВАННОГО МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОННО-ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
Ю. Ф. Иванов1, 2, С. П. Ереско3, А. А. Клопотов2, 3*, Е. А. Петрикова1, 2, В. Е. Громов5
1Институт сильноточной электроники СО РАН Российская Федерация, 634055, г. Томск, просп. Академический, 2/3 2Национальный исследовательский Томский государственный университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 3Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 4Томский государственно архитектурно-строительный университет Российская Федерация, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2 5Сибирский государственный индустриальный университет Российская Федерация, 654007, г. Новокузнецк, просп. Кирова, 42 *E-mail: klopotovaa@tsuab.ru
Представлены результаты модифицирования поверхности образцов силумина Al-12,5%Si после электровзрывного легирования и последующей обработки высокоэнергетическими пучками с целью улучшения механических и трибологических свойств.
Ключевые слова: силумин; электровзрывное легирование, высокоинтенсивный импульсный электронный пучок, структура, свойства, диаграмма состояния.
FEATURES OF THE STRUCTURAL-PHASE STATE ON THE SURFACE OF SILUMIN FORMED
BY METHODS OF ELECTRON-ION-PLASMA TREATMENT
Yu. F. Ivanov1, 2, S. P. Eresko3, А. А. Klopotov2, 3*, Е. А. Petrikova1, 2, V. Е. Gromov5
institute of High-Current Electronics of the Siberi an Branch of the Russian Academy of Sciences 2/3, Tomsk, Akademicheskiy Av., 634055, Russian Federation ^National Research Tomsk State University 36, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation
3Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
4Tomsk State University of Architecture and Building 2, Solyanaya Sq., Tomsk, 634003, Russian Federation
5Siberian State University of Industry 42, Kirov Av., Novokuznetsk, 654007, Russian Federation *E-mail: klopotovaa@tsuab.ru
The research contains results of modifying the surface of silumin samples Al-12,5%Si after the electrospark doping and the subsequent treatment using high-energy beams for the purpose of improving the mechanical and tribological properties.
Keywords: silumin; electroexplosive doping, high-intensity pulsed electron beam, structure, properties, state diagram.
Введение. В настоящее время алюминиевые сплавы находят широкое применение в таких областях как авиационная и ракетная техника. Это связано с комплексом уникальных свойств: высокие удельные характеристики, технологичность и ценовая доступность. Кроме того, для работы изделий в космосе необходима их стойкость к воздействию факторов космического пространства: высокого вакуума, перепадов температур, радиации и пр. Поэтому задача улучшения механических и трибологических свойств поверхности алюминиевых сплавов за счет электровзрывного легирования и последующей обработки
высокоэнергетическими пучками настоящий момент является актуальной.
Перспективным методом модификации поверхности алюминиевых сплавов является метод, основанный на импульсном оплавлении поверхности в сочетании легирования ее с последующей кристаллизацией и образованием упрочняющих фаз, осуществляемое плазмой, формирующейся при электрическом взрыве токопроводящего материала (электровзрывное легирование) [1]. При этом приповерхностные слои имеют металлургическую связь с основой с адгезией на уровне когезии. Повышение физико-механических
Решетневскуе чтения. 2017
свойств поверхностного слоя дополнительно можно получить при помощи высокоинтенсивных импульсных электронных пучков [2]. При таком воздействии на первом этапе происходит нагрев до температур плавления со сверхвысокими скоростями (106-108 К/с). На втором этапе происходит охлаждение тонкого приповерхностного слоя (10-7-10-6 м) материала за очень короткое время (10-6-10-3 с). Такое воздействие способствует образованию в поверхностном слое аморфной и нанокристаллической структуры.
Цель настоящей работы - выявление особенностей образования структурно-фазовых состояний на поверхности сплава алюминий-кремний (силумин) после электровзрывного легирования и последующим облучением высокоинтенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия.
Материал и методики исследования. В качестве материала исследования был выбран сплав Л1-12,5%81 (эвтектический силумин). Электровзрывное легирование поверхности силумина проводили на установке ЭВУ 60/10 в Сибирском государственном индустриальный университете (г. Новокузнецк). Режимы испытаний подробно приведены в [3]. Легирующий материал содержал два элемента: фольга из титана ~20 мкм весом до 90 мг и порошок бора массой 90 мг. Вторым этапом было воздействие на поверхностный силумина высокоинтенсивным импульсным электронным пучком на установке «СОЛО» (ИСЭ СО РАН) по режимам приведенным в работе [3]. Структурные исследования проводили методами металлографии, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии и рентгено-фазового анализа. Механические свойства модифицированного слоя характеризовали величиной микротвердости, трибологические - износостойкостью.
Диаграммы состояния тройных систем. Были проанализированы изотермические диаграммы состояний тройных систем Л1-8ьБ [4], Л1-Т1-Б1 [5], Л1-ТьБ [6], Ть8^Б [7] с целью выявления стехиомет-рических и нестехиометрических соединений, которые могут образоваться в приповерхностном слое после выше приведенной ионно-электронной плазменной обработки в многокомпонентной системе на основе алюминия. В этих системах вторичные фазы образуются в основном из бинарных силицидов и бо-ридов. Трехкомпонентных соединений в рассматриваемых системах не много. В системе Л1-8ьБ только одно трехкомпонентное стехиометрическое соединение х-Л1^Б4В (пространственная группа Р42/ппт). В системе Т1-81-Б также выявлено тоже только одно стехиометрическое соединение х-Т16812Б. В системе Л1-81-Т1 установлено два трехкомпонентных соединения с протяженными областями гомогенности Х1-(Т11-хЛ1х)вЛ1у811-у)16 и Х2-Т1(Л1х81:-х)2 (Стст) и одно стехиометрическое соединение Т17Л158^2 (14\/атс[) со строго ограниченной областью. В системе Л1-Т1-Б не обнаружено ни одного трехкомпонентного
соединения внутри в области изотермического треугольника.
Результаты исследований и их обсуждение. Установлено, что описанная выше обработка приводит к следующим изменениям механических свойств и особенностям структурно-фазовых состояний: 1 - происходит упрочнение поверхностного слоя силумина до величины, в 7,5 раз превышающей величину микротвердости сердцевины образца; 2 - формированию протяженных упрочненных слоев, толщиной до 200 мкм; 3 - снижению коэффициента трения в 5-6 раз; 4 - выявлено, что в поверхностном слое силумина формируется многофазная структура: Al, Ti, Al2Ti, AlTi3, Al3Ti, TiB, TiSi; 5 - размеры выделяющихся при легировании фаз изменяются в широких пределах: от нано- до субмикронных и выявлены наноразмерные частицы силицида титана TiSi, расположенные в объеме и на границах зерен алюминия, а также на межфазных границах алюминий/кремний.
Заключение. На основе анализа структурных данных установлено, что вклад в упрочнение поверхностного слоя силумина, реализующегося при данном способе обработки, вносят разные механизмы: твер-дорастворный (за счет формирования твердых растворов на основе алюминия), дисперсионный (выделение наноразмерных частиц вторых фаз), зерногра-ничный (за счет измельчения зеренной структуры) и деформационный (за счет формирования дефектной субструктуры).
References
1. External fields processing and treatment technology and preparation of nanostructure of metals and alloys : book of the International seminar articles / Yu. F. Ivanov [et. al.] ; ed. by V. Gromov. Novokuznezk, 2014. P. 118128.
2. Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams (Materials surface processing by directed energy techniques) / еd. by Y. Pauleau. London : Elsevier, 2006. P. 205-240.
3. Applied Mechanics and Materials / Yu. F. Ivanov [et. al.]. 2015. Vol. 756. P. 236-242.
4. Yoshikawa T., Morita K. // Metal. Trans. 2005. Vol. 46 (6). P. 1335.
5. Brukl C., Nowotny H., Schob O., Benesovsky F. // Chem. 1961.Vol. 92. P. 781-788.
6. Fjellstedt J., Jarfors A. E. W. // Z. Metallkd. 2001. Bd. 92(6). P. 563-571.
7. Candioto K. C. G., Nunes C. A., Coelho G. C. // J. of Alloys and Compounds. 2011. Vol. 509. P. 52635268.
© Иванов Ю. Ф., Ереско С. П., Клопотов А. А., Петрикова Е. А., Громов В. Е., 2017
