Multi-cycle electron-ion-plasma alloying of silumin: structure, properties.pdf Введение Силумины, сплавы алюминий-кремний, в настоящее время являются одними из наиболее востребованных материалов на основе алюминия. Из них изготавливают посуду, детали автомобилей и мотоциклов, речного и морского транспорта, самолетов, корпуса для огнестрельного оружия и многое другое. К основным преимуществам, которыми характеризуются данные сплавы, относятся высокая удельная прочность, малый вес, высокая износостойкость и коррозионная стойкость, низкая стоимость. Придание дополнительных свойств силумина осуществляется его модифицированием. Одним из перспективных методов поверхностного модифицирования металлов и сплавов, керамических и металлокерамических материалов является облучение концентрированными потоками энергии (мощные ионные пучки, потоки плазмы, лучи лазера, импульсные и непрерывные электронные пучки и т.д.) [1-4]. Целью настоящей работы является анализ результатов и выявление закономерностей модифицирования поверхностного слоя силумина методами многоцикловой комбинированной обработки, совмещающей в одном цикле формирование системы «пленка (металл)/(силумин) подложка» и последующее облучение поверхности интенсивным импульсным электронным пучком микросекундной длительности. Материал и методики исследования В качестве материала исследования был использован силумин эвтектического состава марки АК12 (Al, 10-13 % Si, до 1.5 % Fe, до 0.5 % Mn, до 0.1 % Ti, до 0.6 % Cu, до 0.1 % Zr, до 0.1 % Mg, до 0.3 % Zn) в литом состоянии [5]. Легирование поверхностного слоя силумина титаном осуществляли путем плавления системы «пленка (Ti)/(АК12) подложка» интенсивным импульсным электронным пучком. Толщина пленки титана в каждом цикле «напыление/облучение» составляла 0.5 мкм; количество циклов 1, 5 и 10. Облучение системы «пленка/подложка» осуществляли интенсивным импульсным электронным пучком при следующих параметрах пучка электронов: энергия ускоренных электронов 18 кэВ, плотность энергии пучка электронов 15 Дж/см2, длительность импульсов воздействия пучка электронов 50 мкс, частота следования импульсов 0.5 с-1, количество импульсов 10; облучение проводили в аргоне при остаточном давлении 0.04 Па. Многоцикловое легирование проводили в едином технологическом вакууме на установке «КОМПЛЕКС» [4]. Исследование структуры силумина в исходном состоянии и после модифицирования осуществляли методами рентгеноструктурного анализа (дифрактометр XRD 6000), оптической (Микровизор металлографический µVizo-MET-221), сканирующей (прибор SEM 515 Philips) и просвечивающей дифракционной (прибор JEM-2100F) электронной микроскопии. Анализ элементного состава образцов осуществляли методами SEM (STEM)/EDAX. Свойства модифицированного слоя характеризовали, определяя микротвердость (прибор ПМТ-3, нагрузка на индентор 0.5 Н) и износостойкость (прибор TRIBOtechnik; условие сухого трения при комнатной температуре, контртело - шарик ШХ15 диаметром 6 мм, диаметр трека 4 мм, скорость вращения образца 2.5 см/с, нагрузка на индентор 5 Н, количество оборотов 8000). Износостойкость поверхностного слоя материала рассчитывали после проведения профилометрии образовавшегося трека. Результаты исследования и их обсуждение Исследуемый материал в литом состоянии является многофазным материалом, содержит микропоры, крупные (десятки-сотни микрометров) включения кремния и интерметаллидов пластинчатой формы, а также в виде «китайских иероглифов» (рис. 1, а). Наличие таких включений является основной причиной весьма низкой пластичности и высокой хрупкости данного материала [6]. Рис. 1. Структура поверхности образцов силумина марки АК12 в литом состоянии (а) и после модифицирования в течении 5 циклов «напыления/облучения» (б, в). Сканирующая электронная микроскопия Облучение системы «пленка (Ti)/(АК12) подложка» интенсивным импульсным электронным пучком приводит к растворению в поверхностном слое включений кремния и интерметаллидов (рис. 1, б) и формированию структуры высокоскоростной ячеистой кристаллизации (рис. 1, в). Анализ структуры поперечных шлифов показал, что толщина модифицированного слоя, который не содержит включений интерметаллидов, растет с увеличением количества циклов и изменяется в пределах от 20 мкм после 1 цикла модифицирования до 30 мкм после 10 циклов модифицирования (рис. 2, а). Травление поперечного шлифа выявило в модифицированном слое структуру, размер кристаллитов которой изменяется в пределах от 1 до 5 мкм (рис. 2, б). Методами рентгенофазового анализа установлено, что после 5 и 10 циклов «напыления/облу¬чения» в поверхностном слое силумина формируется многофазная структура, содержащая, наряду с фазами исходного состояния (алюминий и кремний), алюминиды титана состава TiAl и TiAl3. Относительное содержание алюминидов достигает максимального значения после 5 циклов обработки и суммарно составляет 56 мас. %. Исследования элементного и фазового состава, состояния дефектной субструктуры силумина после многоцикловой обработки осуществляли методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии. Установлено, что в поверхностном слое формируется градиентная структура, элементный и фазовый состав, размеры структурных составляющих которой существенным образом зависят от расстояния до поверхности модифицирования (рис. 3). Размеры частиц упрочняющих фаз изменяются в пределах от 10 до 370 нм (рис. 3). Рис. 2. Структура поперечного шлифа образцов силумина марки АК12 после модифицирования в течении 5 циклов «напыления/облучения». Стрелками указана поверхность модифицирования. Сканирующая электронная микроскопия Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры силумина марки АК12 после модифицирования в течение 10 циклов «напыления/облучения»: а - поверхностный слой (стрелкой указана поверхность модифицирования); б - слой, расположенный на расстоянии 25-30 мкм от поверхности модифицирования. Просвечивающая электронная микроскопия Результаты микрорентгеноспектрального анализа элементного состава поверхностного слоя силумина марки АК12 после модифицирования в течение 5 циклов «напыления/облучения» Элемент Концентрация, вес. % Концентрация, ат. % Mg 0.42 0.48 Al 73.6 83.2 Si 2.48 2.48 Ti 4.98 2.92 Mn 0.11 0.06 Fe 0.52 0.26 Ni 0.07 0.03 Cu 2.36 1.04 Распределение химических элементов в модифицированном слое силумина изучали методами микрорентгеноспектрального анализа тонких фольг [7]. Химический состав поверхностного слоя силумина марки АК12 после модифицирования в течение 5 циклов «напыления/облучения» приведен в таблице. Исследовали поверхностный слой, электронно-микроскопи¬ческое изображение которого представлено на рис. 4, а. Показано, что анализируемый слой является многоэлементным; усредненная по слою концентрация атомов титана достигает ≈ 5 мас. %. Результаты анализа распределения атомов титана в данном слое представлены на рис. 4, б. Отчетливо видно, что атомы титана в исследуемом слое распределены неравномерно, формируют многослойную структуру. Слои характеризуются размерами областей, обогащенных атомами титана. Выделяются слои с размерами областей 30-50 нм и слои с размерами областей до 0.5 мкм. Следует отметить, что слои с наноразмерным распределением титана чередуются со слоями с субмикронными размерами областей распределения титана, при этом размеры таких областей увеличиваются по мере удаления от поверхности модифицирования. Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры силумина марки АК12 после модифицирования в течение 5 циклов «напыления/облучения»: а - светлопольное изображение (стрелкой указана поверхность модифицирования); б - изображение, полученное в характеристическом рентгеновском излучении атомов титана. Просвечивающая электронная микроскопия, STEM-анализ Фазовый состав, размеры и морфологию фаз изучали методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии с привлечением темнопольного анализа и техники индицирования микроэлектронограмм [8, 9]. Результаты электронно-микроскопического микродифракционного анализа структуры поверхностного слоя силумина после модифицирования приведены на рис. 5. Отчетливо видно, что модифицированный слой имеет сложную структуру, кристаллиты которой изменяются от единиц до десятков и сотен нанометров (рис. 5, а). Основной объем поверхностного слоя занимают зерна твердого раствора на основе алюминия (рис. 5, в). На рис. 5, а данные зерна имеют светлый контраст. В объеме зерен алюминия выявляются наноразмерные (5-10 нм) частицы кремния (рис. 5, в). Частицы кремния несколько больших размеров (20-30 нм) формируют протяженные прослойки вдоль границ зерен алюминия (рис. 5, г). Наряду с фазами, характерными для силумина (алюминий и кремний), в поверхностном слое образца обнаружены включения алюминида титана состава Al3Ti (рис. 5, д, е) и силицида титана состава TiSi. Данные включения имеют глобулярную форму, размеры их изменяются в пределах 100 нм. Таким образом, многоцикловое легирование силумина титаном приводит к формированию поверхностного слоя с многофазной субмикро- и нанокристаллической градиентной структурой. Механические и трибологические свойства модифицированного силумина характеризовали микротвердостью и износостойкостью. Показано, что микротвердость модифицированной поверхности силумина увеличивается в 1.4 раза и достигает максимальных значений после 5 циклов «напыления/облучения». Износостойкость достигает максимальных значений также после 5 циклов «напыления/облучения» и превышает износостойкость исходного материала в 14.2 раза. Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение структуры силумина марки АК12 после модифицирования в течение 5 циклов «напыления/облучения»: а - светлопольное изображение; б - микроэлектронограмма данного участка фольги (стрелками указаны рефлексы, в которых получены темнопольные изображения); в-е - темнопольные изображения, полученные в рефлексах; 1 - [200]Al + [200]Si; 2 - [200]Si; 3 - [004]Al3Ti; 4 - [111]Si + [110]Al3Ti. Просвечивающая электронная дифракционная микроскопия Выводы Осуществлена многоцикловая обработка в едином вакуумном пространстве поверхностного слоя силумина эвтектического состава марки АК12, сочетающая в одном цикле формирование системы «пленка (титан)/(силумин) подложка» и последующее облучение поверхности интенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности. Выявлено формирование многофазного субмикро- и нанокристаллического поверхностного слоя толщиной до 30 мкм, содержащего, наряду с фазами исходного состояния (алюминий и кремний), алюминиды титана состава TiAl и TiAl3, относительное содержание которых достигает максимального значения после 5 циклов обработки и суммарно составляет 56 мас. %. Показано, что модифицированный слой имеет градиентное строение, элементный и фазовый состав, размеры структурных составляющих которого зависят от расстояния до поверхности модифицирования. Установлено, что микротвердость и износостойкость модифицированного слоя силумина превышает соответствующие характеристики литого силумина в 1.4 и 14.2 раза, достигая максимальных значений после 5 циклов «напыления/облучения».

Скачать электронную версию публикации