ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ДОЭВТЕКТИЧЕСКОГО СИЛУМИНА ОБЛУЧЕННОГО ИНТЕНСИВНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

Введение

Анализ многочисленных факторов, влияющих на свойства силуминов, показывает, что важная роль в формировании качественных отливок принадлежит процессам модифицирования, поскольку изменить структурное состояние кремния другими методами, в том числе последующей термомеханической обработкой, не всегда представляется возможным [1]. Только специальными методами обработки металлов давлением, такими, как поперечно-винтовая прокатка, возможно диспергировать кремний в сплаве с алюминием [2]. Однако для возможности пластического деформирования силуминов необходимо, чтобы они имели достаточные пластические свойства. Путем введения небольших добавок элементов- модификаторов представляется возможным изменить морфологию и дисперсность кремния, как в эвтектике, так и первичных кристаллов и существенно (на 80-100%) повысить уровень пластичности силуминов [3]. Целью настоящей работы является микродифракционный электронно-микроскопический анализ поверхностного слоя доэвтектического силумина, облученного интенсивным импульсным  электронным пучком.

Материал и методика исследования

В качестве материала исследования был использован доэвтектический силумин в литом состоянии (табл. 1).

Таблица 1 - Химический состав ( вес. % , остально Al )  силумина в литом состоянии ( Российский государственный стандарт ГОСТ 30620-98)

Образцы имели форму пластинок размерами 20х20х10 мм. Облучение поверхности пластинок осуществляли на установке «СОЛО» (Институт сильноточной электроники СО РАН) [4] интенсивными импульсными электронными пучками с параметрами: энергия ускоренных электронов 17 кэВ, плотность энергии пучка электронов 25 Дж/см2, длительность импульса пучка электронов 150 мкс, количество импульсов 3, частота следования импульсов 0,3 с-1, давление остаточного газа (аргон) в рабочей камере установки 2*10-2 Па. Элементный состав силумина анализировали методами микрорентгеноспектрального анализа. Дефектную субструктуру образцов исследовали методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии (прибор JEM 2100F) [5-7].

Результаты исследования и их обсуждение

Облучение силуминов интенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя в результате последующей высокоскоростной кристаллизации приводит к формированию многофазной субмикро-нанокристаллической структуры ячеистого типа, характерное изображение которой представлено на рис. 1.

В исследуемом сплаве, как правило, формируются ячейки двух типов. Во-первых, ячейки, объем которых свободен от выделений второй фазы (рис. 1). В отдельных случаях в объеме таких ячеек наблюдаются наноразмерные частицы округлой формы, расположенные хаотически. Во-вторых, ячейки, в объеме которых наблюдается структура пластинчатой эвтектики (рис. 1, а). Отмечено, что ячейки первого типа при данном режиме облучения являются преобладающим типом структуры поверхностного слоя толщиной ≈10 мкм. На большем расстоянии от поверхности облучения формируется структура смешанного типа, представленная ячейками первого и второго типа.

Методами микрорентгеноспектрального анализа тонких фольг были выполнены исследования элементного состава ячеек первого и второго типа. Установлено, что объем ячеек первого типа обогащен атомами алюминия (рис. 2, а), т.е. представляет собой твердый раствор на основе алюминия. Ячейки второго типа сформированы чередующимися параллельными друг другу пластинками, обогащенными атомами алюминия (рис. 2, а) и атомами кремния (рис. 2, б), т.е. представляют собой ячейки эвтектики сплава Al-Si.

Таким образом, облучение поверхности образцов силумина интенсивным импульсным электронным пучком в результате высокоскоростного плавления и последующей высокоскоростной кристаллизации сопровождается формированием в поверхностном слое ячеистой субструктуры субмикронных размеров, представленной ячейками пластинчатой эвтектики сплава Al-Si и ячейками алюминия, разделенными наноразмерными прослойками второй фазы.

Заключение

Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры силумина доэвтектического состава, облученного в вакууме интенсивным импульсным электронным пучком (25 Дж/см2, 150 мкс, 3 имп.). Выявлено формирование в поверхностном слое структуры ячеистой высокоскоростной кристаллизации субмикронных размеров. Показано, что в поверхностном слое толщиной ≈10 мкм формируются ячейки, объем которых свободен от выделений второй фазы. Методами микрорентгеноспектрального анализа установлено, что объем таких ячеек обогащен атомами алюминия, образующими твердый раствор на основе кристаллической решетки алюминия, о чем свидетельствуют результаты микродифракционных исследований с привлечением темнопольной методики.  На большем расстоянии от поверхности облучения выявляются области, содержащие ячейки пластинчатой эвтектики сплава Al-Si.

Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 3.1283.2017/4.6).

Список литературы

1.        Белов Н.А., Белов В.Д., Савченко С.В., Самошина М.Е., Чернов В.А., Алабин А.Н. Поршневые силумины - М.: Руда и металлы, 2011. - 246 с.

2.        Волочко А.Т. Модифицирование эвтектических и первичных частиц кремния в силуминах. Перспективы развития // Литейное производство. – 2015. – 4 (81). – С. 38-47.

3.        Волочко А.Т., Шегидевич А. А., Королев С.П., Галушко А.М. Анализ структурообразования силуминов // Весцi нацыянальнай Акадэмii Навук Беларусi. Серыя фiзiка-тэхнiчных навук. – 2013,№ 3. С. 18-24.

4.        Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов / под ред. Н.н. Коваля и Ю.Ф. Иванова. – Томск: Изд-во НТЛ, 2016. – 312 с.

5.        Ray F. Egerton Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM / Berlin: Springer Science+Business Media, Inc, 2005. 211 p.

6.        Kumar C.S.S.R. (Ed.) Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials - New York: Springer. 2014. 717 p.

7.        Barry Carter C., David B., Transmission Electron Microscopy / Berlin: Springer International Publishing,2016. 518 p.