cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2023-5-69-78cvmet-1531Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentЭлектронно-ионно-плазменное модифицирование поверхности силумина заэвтектического составаElectron-ion-plasma surface modification of hypereutectic siluminhttps://orcid.org/0000-0001-5677-1427ШляроваЮ. А.ShliarovaYu. A.

Юлия Андреевна Шлярова – аспирант кафедры естественно-научных дисциплин Сибирского государственного индустриального университета (СибГИУ), научный сотрудник лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений СибГИУ

654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

42 Kirov Str., Novokuznetsk, 654007

rubannikova96@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8130-648XШляровВ. В.ShlyarovV. V.

Виталий Владиславович Шляров – аспирант кафедры естественно-научных дисциплин СибГИУ, научный сотрудник лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений СибГИУ

654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

42 Kirov Str., Novokuznetsk, 654007

shlyarov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9859-8949ЗагуляевД. В.ZaguliaevD. V.

Дмитрий Валерьевич Загуляев – д.т.н., зам. начальника управления научных исследований СибГИУ

654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

42 Kirov Str., Novokuznetsk, 654007

zagulyaev_dv@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Юрий Федорович Иванов – д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник 

634055, г. Томск, пр. Академический, 2/3

2/3 Akademicheskiy Ave., Tomsk, 634055

yufi55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВ. Е.GromovV. E.

Виктор Евгеньевич Громов – д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественно-научных дисциплинСибГИУ

654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

42 Kirov Str., Novokuznetsk, 654007

gromov@physics.sibsiu.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАНРоссияInstitute of High-Current Electronics of Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2023201020232956978Copyright © Шлярова Ю.А., Шляров В.В., Загуляев Д.В., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., 20232023Шлярова Ю.А., Шляров В.В., Загуляев Д.В., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е.Shliarova Y.A., Shlyarov V.V., Zaguliaev D.V., Ivanov Y.F., Gromov V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1531

В настоящем исследовании проведена сложная обработка силумина заэвтектического состава, включающая комбинацию электровзрывного легирования поверхностного слоя порошком оксида иттрия с последующим облучением импульсным электронным пучком. Полученные данные свидетельствуют о том, что такая комплексная обработка приводит к созданию многофазной субмикро-нанокристаллической структуры высокоскоростной ячеистой кристаллизации алюминия в поверхностном слое. Объем кристаллизационных ячеек обогащен атомами алюминия, что свидетельствует об образовании твердого раствора на основе алюминия. Нанокристаллические слои, образованные частицами кремния и оксидом иттрия, расположены вдоль границ ячеек. Исследование показывает, что в результате комплексной обработки при плотности энергии электронного пучка 25 Дж/см2 происходит увеличение параметра износа модифицированных образцов в 7,9±0,6 раза и уменьшение коэффициента трения в 1,7±0,15 раза по сравнению с силумином в исходном состоянии. Кроме того, микротвердость модифицированного таким образом поверхностного слоя силумина возрастает по сравнению с исходным состоянием в 1,5±0,12 раза. Повышение плотности энергии электронного пучка до 35 Дж/см2 приводит к увеличению параметра износа силумина в 2,1±0,21 раза, коэффициента трения в 1,13±0,1 раза и снижению микротвердости в 1,3±0,13 раза, при этом все еще превышая заданные характеристики силумина в исходном состоянии. В исследовании предполагается, что многократное увеличение параметра износа при комплексной обработке связано с присутствием в поверхностном слое включений кремния, которые не растворились при модификации, в окружении высокоскоростной ячеистой кристаллизационной структуры. 

In this study, an integrated treatment approach was employed to modify hypereutectic silumin. This method involved electroexplosive alloying of the surface layer with yttrium oxide powder, followed by irradiation with a pulsed electron beam. The experimental data obtained demonstrate that this integrated treatment results in the formation of a submicron-nanocrystalline structure characterized by high-speed cellular crystallization of aluminum within the surface layer. This structure is composed of crystallization cells enriched with aluminum atoms, indicating the creation of a solid solution based on aluminum. The nanocrystalline layers, formed by silicon particles and yttrium oxide, are positioned at the cell boundaries. The study reveals that, as a consequence of integrated treatment with an electron beam energy density of 25 J/cm2 , the wear parameter of the modified samples increases by 7.9±0.6-fold, and the friction coefficient decreases by 1.7±0.15-fold compared to the initial state. Additionally, the microhardness of the modified silumin surface layer increases by 1.5±0.12-fold compared to the initial state. When the electron beam energy density is elevated to 35 J/cm2, the wear parameter of silumin is enhanced by 2.1±0.21-fold, while the friction coefficient increases by 1.13±0.1-fold. However, the microhardness decreases by 1.3±0.13-fold, while still surpassing the specified characteristics of untreated silumin. This investigation postulates that the substantial increase in the wear parameter during integrated treatment may be attributed to the presence of silicon inclusions in the surface layer that did not dissolve during the modification process. These inclusions are surrounded by the high-speed cellular crystallization structure mentioned earlier. 

силуминэлектровзрывное легированиеимпульсный электронный пучокструктурапараметр износаsiluminelectroexplosive alloyingpulsed electron beamstructurewear parameterReferencesTutunchilar S., Besharati Givi M.K., Haghpanahi M., Asadi P. Eutectic Al—Si piston alloy surface transformed to modified hypereutectic alloy via FSP. Materials Science and Engineering: A. 2012;534:557—567. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.12.008Tutunchilar S., Besharati Givi M.K., Haghpanahi M., Asadi P. Eutectic Al—Si piston alloy surface transformed to modified hypereutectic alloy via FSP. Materials Science and Engineering: A. 2012;534:557—567. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.12.008Mohamed A.M.A., Samuel A.M., Samuel F.H., Doty H.W. Influence of additives on the microstructure and tensile properties of near-eutectic Al—10.8%Si cast alloy. Materials & Design. 2009;30(10):3943—3957. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.05.042Mohamed A.M.A., Samuel A.M., Samuel F.H., Doty H.W. Influence of additives on the microstructure and tensile properties of near-eutectic Al—10.8%Si cast alloy. Materials & Design. 2009;30(10):3943—3957. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.05.042Li Q., Xia T., Lan Y., Li P., Fan L. Effects of rare earth Er addition on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al—20% Si alloy. Materials Science and Engineering: A. 2013;588:97—102. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.09.017Li Q., Xia T., Lan Y., Li P., Fan L. Effects of rare earth Er addition on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al—20% Si alloy. Materials Science and Engineering: A. 2013;588:97—102. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.09.017Chen M., Meng-Burany X., Perry T.A., Alpas A.T. Micromechanisms and mechanics of ultra-mild wear in Al—Si alloys. Acta Materialia. 2008;56(19):5605—5616. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2008.07.043Chen M., Meng-Burany X., Perry T.A., Alpas A.T. Micromechanisms and mechanics of ultra-mild wear in Al—Si alloys. Acta Materialia. 2008;56(19):5605—5616. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2008.07.043Chen M., Alpas A.T. Ultra-mild wear of a hypereutectic Al—18.5wt.%Si alloy. Wear. 2008;265(1-2):186—195. https://doi.org/10.1016/j.wear.2007.10.002Chen M., Alpas A.T. Ultra-mild wear of a hypereutectic Al—18.5wt.%Si alloy. Wear. 2008;265(1-2):186—195. https://doi.org/10.1016/j.wear.2007.10.002Cao F., Jia Y., Prashanth K.G., Ma P., Liu J., Scudino S., Huang F., Eckert J., Sun J. Evolution of microstructure and mechanical properties of as-cast Al—50Si alloy due to heat treatment and P modifier content. Materials & Design. 2015;74:150—156. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.03.008Cao F., Jia Y., Prashanth K.G., Ma P., Liu J., Scudino S., Huang F., Eckert J., Sun J. Evolution of microstructure and mechanical properties of as-cast Al—50Si alloy due to heat treatment and P modifier content. Materials & Design. 2015;74:150—156. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.03.008Li Q., Xia T., Lan Y., Zhao W., Fan L., Li P. Effect of in situ γ-Al2O3 particles on the microstructure of hypereutectic Al—20%Si alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2013;577:232—236. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.04.043Li Q., Xia T., Lan Y., Zhao W., Fan L., Li P. Effect of in situ γ-Al2O3 particles on the microstructure of hypereutectic Al—20%Si alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2013;577:232—236. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.04.043Wenhai P., Shengzhi H., Jun C., Wei L., Limin Z., Jun D. Surface composite microstructure and improved mechanical property of YG10X cemented carbide induced by high current pulsed electron beam irradiation. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2019;78:233—239. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.09.016Wenhai P., Shengzhi H., Jun C., Wei L., Limin Z., Jun D. Surface composite microstructure and improved mechanical property of YG10X cemented carbide induced by high current pulsed electron beam irradiation. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2019;78:233—239. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.09.016Hangyu Y., Yuyong C., Xiaopeng W., Fantao K. Effect of beam current on microstructure, phase, grain characteristic and mechanical properties of Ti—47Al— 2Cr—2Nb alloy fabricated by selective electron beam melting. Journal of Alloys and Compounds. 2018;750: 617—625. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.343Hangyu Y., Yuyong C., Xiaopeng W., Fantao K. Effect of beam current on microstructure, phase, grain characteristic and mechanical properties of Ti—47Al— 2Cr—2Nb alloy fabricated by selective electron beam melting. Journal of Alloys and Compounds. 2018;750: 617—625. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.343Wei J., Langping W., Xiaofeng W. Studies on surface topography and mechanical properties of TiN coating irradiated by high current pulsed electron beam. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2018;436: 63—67. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.09.003Wei J., Langping W., Xiaofeng W. Studies on surface topography and mechanical properties of TiN coating irradiated by high current pulsed electron beam. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2018;436: 63—67. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.09.003Zou J., Qin Y., Dong C., Wang X., Almin W., Hao S. Numerical simulation of the thermal-mechanical process of high current pulsed electron beam treatment. Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces and Films. 2004;22(3):545—552. https://doi.org/10.1116/1.1697481Zou J., Qin Y., Dong C., Wang X., Almin W., Hao S. Numerical simulation of the thermal-mechanical process of high current pulsed electron beam treatment. Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces and Films. 2004;22(3):545—552. https://doi.org/10.1116/1.1697481Gao B., Hao Y., Zhuang W.F., Tu G.F., Shi W.X., Li S.W., Hao S.Z., Dong C., Li M.C. Study on continuous solid solution of Al and Si elements of a high current pulsed electron beam treated hypereutectic Al—17.5Si alloy. Physics Procedia. 2011;18:187—192. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.06.079Gao B., Hao Y., Zhuang W.F., Tu G.F., Shi W.X., Li S.W., Hao S.Z., Dong C., Li M.C. Study on continuous solid solution of Al and Si elements of a high current pulsed electron beam treated hypereutectic Al—17.5Si alloy. Physics Procedia. 2011;18:187—192. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.06.079Gao B., Hu L., Li S., Hao Y., Zhang Y., Tu G., Grosdidier T. Study on the nanostructure formation mechanism of hypereutectic Al—17.5Si alloy induced by high current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2015;346:147—157. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.04.029Gao B., Hu L., Li S., Hao Y., Zhang Y., Tu G., Grosdidier T. Study on the nanostructure formation mechanism of hypereutectic Al—17.5Si alloy induced by high current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2015;346:147—157. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.04.029Hu L., Gao B., Lv J.K., Hao Y., Tu G.F., Hao S.Z., Dong C. The metastable structure of hypereutectic Al—17.5Si alloy surface induced by high current pulsed electron beam. Materials Research Innovations. 2015;19: S5320—S5324. https://doi.org/10.1179/1432891714Z.0000000001102Hu L., Gao B., Lv J.K., Hao Y., Tu G.F., Hao S.Z., Dong C. The metastable structure of hypereutectic Al—17.5Si alloy surface induced by high current pulsed electron beam. Materials Research Innovations. 2015;19: S5320—S5324. https://doi.org/10.1179/1432891714Z.0000000001102Hao Y., Gao B., Tu G.F., Cao H., Hao S.Z., Dong C. Surface modification of Al—12.6Si alloy by high current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2012;258:2052—2056. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.04.104Hao Y., Gao B., Tu G.F., Cao H., Hao S.Z., Dong C. Surface modification of Al—12.6Si alloy by high current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2012;258:2052—2056. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.04.104Xia H., Zhang C., Lv P., Cai J., Jin Y., Guan Q. Surface alloying of aluminum with molybdenum by high-current pulsed electron beam. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2018;416:9—15. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.11.028Xia H., Zhang C., Lv P., Cai J., Jin Y., Guan Q. Surface alloying of aluminum with molybdenum by high-current pulsed electron beam. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2018;416:9—15. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.11.028Tomus D., Qian M., Brice C.A., Muddle B.C. Electron beam processing of Al—2Sc alloy for enhanced precipitation hardening. Scripta Materialia. 2010;63(2): 151—154. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.03.039Tomus D., Qian M., Brice C.A., Muddle B.C. Electron beam processing of Al—2Sc alloy for enhanced precipitation hardening. Scripta Materialia. 2010;63(2): 151—154. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.03.039Bo G., Ning X., Pengfei X. Shock wave induced nanocrystallization during the high current pulsed electron beam process and its effect on mechanical properties. Materials Letters. 2019;237:180—184. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.11.054Bo G., Ning X., Pengfei X. Shock wave induced nanocrystallization during the high current pulsed electron beam process and its effect on mechanical properties. Materials Letters. 2019;237:180—184. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.11.054Zaguliaev D., Gromov V., Rubannikova Yu., Konovalov S., Ivanov Yu., Romanov D., Semin A. Structure and phase states modification of Al—11Si—2Cu alloy processed by ion-plasma jet and pulsed electron beam. Surface and Coatings Technology. 2020;383:125246. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125246Zaguliaev D., Gromov V., Rubannikova Yu., Konovalov S., Ivanov Yu., Romanov D., Semin A. Structure and phase states modification of Al—11Si—2Cu alloy processed by ion-plasma jet and pulsed electron beam. Surface and Coatings Technology. 2020;383:125246. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125246Zaguliaev D., Konovalov S., Ivanov Yu., Gromov V., Petrikova E. Microstructure and mechanical properties of doped and electron-beam treated surface of hypereutectic Al—11.1%Si alloy. Journal of Materials Research and Technology. 2019;8(5):3835—3842. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.06.045Zaguliaev D., Konovalov S., Ivanov Yu., Gromov V., Petrikova E. Microstructure and mechanical properties of doped and electron-beam treated surface of hypereutectic Al—11.1%Si alloy. Journal of Materials Research and Technology. 2019;8(5):3835—3842. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.06.045Zaguliaev D., Konovalov S., Ivanov Yu., Gromov V. Effect of electron-plasma alloying on structure and mechanical properties of Al—Si alloy. Applied Surface Science. 2019;498:143767. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143767Zaguliaev D., Konovalov S., Ivanov Yu., Gromov V. Effect of electron-plasma alloying on structure and mechanical properties of Al—Si alloy. Applied Surface Science. 2019;498:143767. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143767Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов. М.: МИСИС, 2008. 282 с.Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов. М.: МИСИС, 2008. 282 с.Громов В.Е., Загуляев Д.В., Иванов Ю.Ф., Коновалов С.В., Невский С.А., Сарычев В.Д., Будовских Е.А., Рубанникова Ю.А. Структура и упрочнение силумина, модифицированного электронноионной плазмой. Новокузнецк: Изд центр СибГИУ, 2020. 284 с.Громов В.Е., Загуляев Д.В., Иванов Ю.Ф., Коновалов С.В., Невский С.А., Сарычев В.Д., Будовских Е.А., Рубанникова Ю.А. Структура и упрочнение силумина, модифицированного электронноионной плазмой. Новокузнецк: Изд центр СибГИУ, 2020. 284 с.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.