Электронно-ионно-плазменное модифицирование поверхности силумина заэвтектического состава

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. 

1. Tutunchilar 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.2011.12.008

2. Mohamed 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.2009.05.042

3. Li 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.2013.09.017

4. Chen 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.2008.07.043

5. Chen 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.2007.10.002

6. Cao 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.2015.03.008

7. Li 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.2013.04.043

8. Wenhai 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.2018.09.016

9. Hangyu 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.2018.03.343

10. Wei 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.2018.09.003

11. Zou 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/10.1116/1.1697481

12. Gao 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.2011.06.079

13. Gao 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.2015.04.029

14. Hu 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.0000000001102

15. Hao 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.2011.04.104

16. Xia 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.2017.11.028

17. Tomus 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.2010.03.039

18. Bo 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.2018.11.054

19. Zaguliaev 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.2019.125246

20. Zaguliaev 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.2019.06.045

21. Zaguliaev 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.2019.143767

22. Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов. М.: МИСИС, 2008. 282 с.

23. 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.