Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году


Структурно-фазовое состояние силумина заэвтектического состава, облученного импульсным электронным пучком

Ю.Ф. Иванов1, А.А. Клопотов2, Е.А. Петрикова1, М.Е. Рыгина3,1, О.С. Толкачев1, В.Д. Клопотов3

1 ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
2 ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
3 и ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.089

Оригинальная статья

Аннотация: Силумин (сплав алюминия с кремнием) является дешевым промышленным сплавом, обладающим хорошей коррозионной стойкостью, высокими удельными механическими свойствами и хорошими литейными свойствами, вследствие чего нашел широкое применение в современной промышленности (авиа- и машиностроение, приборостроение, судостроение и т.д.). Целью настоящей работы является анализ закономерностей преобразования структуры и фазового состава поверхностного слоя силумина заэвтектического состава (Al - 22 вес. % Si), подвергнутого облучению интенсивным импульсным электронным пучком. Установлено, что облучение силумина импульсным электронным пучком (18 кэВ, 25 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп., 0,3 с-1) приводит к плавлению поверхностного слоя толщиной до 60 мкм, высокоскоростная кристаллизация которого сопровождается формированием субмикро- нанокристаллической многофазной структуры. Показано, что алюминий (твердый раствор на основе ГЦК кристаллической решетки) формирует ячейки высокоскоростной кристаллизации; на границах ячеек расположены наноразмерные частицы вторых фаз. Выполнен анализ трехкомпонентных диаграмм состояния системы Al-Si-Fe-Cu (основные элементы исследуемого силумина) и продемонстрирована возможность формирования в сплаве в равновесных условиях большого количества двух- и трехэлементных соединений. Методами дифракционной электронной микроскопии показано, что наряду с трехэлементными фазами в силумине образуются и фазы на основе четырех и, возможно, большего количества элементов.

Ключевые слова: силумин заэвтектического состава, импульсный электронный пучок, элементный и фазовый состав, дефектная субструктура, диаграммы равновесия

  • Иванов Юрий Федорович – д.ф.-м.н., главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
  • Клопотов Анатолий Анатольевич – д.ф.-м.н., профессор кафедры Прикладной механики и материаловедения ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
  • Петрикова Елизавета Алексеевна – младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
  • Рыгина Мария Евгеньевна – аспирант ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
  • Толкачев Олег Сергеевич – младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
  • Клопотов Владимир Дмитриевич – к.т.н., доцент кафедры математики и ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Ссылка на статью:

Иванов, Ю.Ф. Структурно-фазовое состояние силумина заэвтектического состава, облученного импульсным электронным пучком / Ю.Ф. Иванов, А.А. Клопотов, Е.А. Петрикова, М.Е. Рыгина, О.С. Толкачев, В.Д. Клопотов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — Тверь: Твер. гос. ун-т, 2020. — Вып. 12. — С. 89-102. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.089.

Полный текст: download PDF file

Библиографический список:

1. Белов, Н.А. Фазовый состав и структура силуминов: Справочное издание / Н.А. Белов, С.В. Савченко, А.В. Хван. – М.: Изд-во МИСиС, 2001. – 283 с.
2. Строганов, Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием / Г.Б. Строганов, В.А. Ротенберг, Г.Б. Гершман. – М.: Металлургия, 1977. – 272 с.
3. Белов, Н.А. Поршневые силумины / Н.А. Белов, В.Д. Белов, С.В. Савченко и др. – М: Издательский дом «Руда и металлы», 2011. – 248 с.
4. Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионноплазменной обработкой / А.П. Ласковнев, Ю.Ф. Иванов, Е.А. Петрикова и др.; под ред. А.П. Ласковнева. – Минск: Беларуская Навука, 2013. – 287 с.
5. Ivanov, Yu.F. Microstructure and properties of hypoeutectic silumin treated by highcurrent pulsed electron beams / Yu.F. Ivanov, D.V. Zagulyaev, S.A. Nevskii, et al. // Progress in Physics of Metals. – 2019. – V. 20. – I. 3. – Р. 447-484.
6. Ivanov, Yu. Modification of surface layer of hypoeutectic silumin by electroexplosion alloying followed by electron beam processing / Yu. Ivanov, V. Gromov, D. Zaguliaev, et al. // Materials Letters. – 2019. – V. 253. – Р. 55-58. DOI: 10.1016/j.matlet.2019.05.148.
7. Ivanov, Yu.F. Changes in surface structure and mechanical characteristics of Al – 5 wt% Si alloy after irradiation by electron beam / Yu.F. Ivanov, D.V. Zaguliaev, A.M. Glezer, et al. // Materials Letters. – 2020. – V. 275. – Art. № 128105. – 4 p. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128105.
8. Sarychev, V. Model of nanostructure formation in Al – Si alloy at electron beam treatment / V. Sarychev, S. Nevskii, S. Konovalov, A. Granovskii, Y. Ivanov, V. Gromov // Materials Research Express. –2019. – V. 6. – I. 2. – Art. № 026540. – 14 p. DOI: 10.1088/2053- 1591/aaec1f.
9. Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов и сплавов / под общ. ред. Н.Н. Коваля и Ю.Ф. Иванова. – Томск: Изд-во НТЛ, 2016. – 312 с.
10. Иванов, Ю.Ф. Усталость силумина, модифицированного электронно-пучковой обработкой / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, С.В. Коновалов, К.В. Аксенова. – Новокузнецк: Изд-во «Полиграфист», 2016. – 184 с.
11. Konovalov, S.V. Fatigue life of silumin irradiated by high intensity pulsed electron beam / S.V. Konovalov, K.V. Alsaraeva, V.Е. Gromov, Yu.F. Ivanov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, VI International Scientific Practical Conference on Innovative Technologies and Economics in Engineering, 21-23 May 2015, Yurga, Russia. – 2015. – V. 91. – Art. № 012029. – 6 p. DOI: 10.1088/1757-899X/91/1/012029.
12. Konovalov, S.V. Fatigue variation of surface properties of silumin subjected to electronbeam treatment / S.V. Konovalov, K.V. Aksenova, V.E. Gromov, Yu.F. Ivanov, O.A. Semina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – V. 110. – Art. № 012012. – 5 p. DOI: 10.1088/1757-899X/110/1/012012.
13. Gromov, V.E. Structural evolution of silumin treated with a high intensity pulse electron beam and subsequent fatigue loading up to failure / V.E. Gromov, Yu.F. Ivanov, A.M. Glezer, S.V. Konovalov, K.V. Alsaraeva // Bulletin of the Russian Academy of Sciences-Physics. – 2015. – V. 79. – I. 9. – P. 1169-1172. DOI: 10.3103/S1062873815090087.
14. Ponweiser, N. New investigation of phase equilibria in the system Al – Cu – Si / N. Ponweiser, K.W. Richter // Journal of Alloys and Compound. – 2012. – V. 512. – I. 1. – P. 252-263. DOI: /10.1016/j.jallcom.2011.09.076.
15. He, C.-Y. Experimental investigation and thermodynamic modeling of the Al – Cu – Si system / C.-Y. He, Y. Du, H.-L. Chen, H. Xu // CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. – 2009. – V. 33. – I. 1. – P. 200-210. DOI: 10.1016/j.calphad.2008.07.015.
16. Банных, О.А. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справочник / О.А. Банных, П.Б. Будберг, С.П. Алисова и др.; под ред. О.А. Банных, М.Е. Дрица. – М.: Металлургия, 1986. – 440 с.
17. Kalmykov, K.B. Phase equilibria in the system Al – Cu – Si at a temperature of 853 K in the aluminum enriched region / K.B. Kalmykov, N.L. Zvereva, S.F. Dunaev, et. al. // Moscow University Chemistry Bulletin. – 2009. – V. 64. – I. 2. – P. 99-103. DOI: 10.3103/S0027131409020060.
18. Zhang, L.M. Phase diagram of the Al – Cu – Fe quasicrystal-forming alloy system. III. Isothermal sections / L.M. Zhang, R. Lück // International Journal of Materials Research. – 2003. – V. 94. – I. 2. – P. 108-115. DOI: 10.3139/146.030108.
19. Du, Y. A thermodynamic description of the Al – Fe – Si system over the whole composition and temperature ranges via a hybrid approach of CALPHAD and key experiments / Y. Du, J.C. Schuster, Z.-K. Liu, et. al. // Intermetallics. – 2008. – V.16. – I. 4. – P. 554-570. DOI: 10.1016/j.intermet.2008.01.003.
20. Dons, A.L. AlFeSi -particles in commercial pure aluminum / A.L. Dons // Zeitschrift für Metallkunde. – 1984. – V. 75. – I. 2. – P. 170-174.
21. Miyazaki, T. Phase decomposition of Fe – Si – Al ordered alloys / T. Miyazaki, T. Kozakai, T. Tsuzuki // Journal of Materials Science. – 1986. – V. 21. – I. 7. – P. 2557- 2564. DOI: 10.1007/BF01114307.
22. Wang, C.P. Phase equilibria in Fe – Cu – X ( X : Co, Cr, Si, V ) ternary systems / C.P. Wang, X.J. Liu, I. Ohnuma, et. al. // Journal of Phase Equilibria. – 2002. – V. 23. – № 3. – P. 236-245. DOI: 10.1361/105497102770331712.
23. Клопотов, А.А. Структурно-фазовые состояния поверхностного слоя сплава Al – Si после электронно-ионно-плазменной обработки / А.А. Клопотов, Ю.Ф. Иванов, Е.А. Петрикова, и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2014. – Вып. 6. – С. 162-170.