Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2020,  том 17,  №1, 32-39

 

В.В. Шляров1, Д.В. Загуляев1, А.А. Абатурова1, А.А. Леонов2, А.М. Устинов2

Эволюция микроструктуры и микротвердости поршневого сплава Al-10Si-2Cu, облученного импульсным электронным пучком

1Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007, Новокузнецк, Россия
2Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, 634055, Томск, Россия
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

В работе выполнены исследования структуры, фазового состава, состояния дефектной субструктуры и микротвёрдости поверхностных слоев поршневого сплава Al-10Si-2Cu облученного импульсным электронным пучком. Установлено, что при плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см2, наблюдается начальная степень плавления поверхности материала. При плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см2 происходит растворение интерметаллидов и образование многочисленных микропор. При плотности энергии пучка электронов 50 Дж/см2, независимо от длительности импульса, на поверхности облучения обнаружены нерегулярно расположенные микротрещины. Формирование поверхностного слоя сопровождается образованием структуры высокоскоростной ячеистой кристаллизации, размеры ячеек изменяются в пределах 500-650 нм. Толщина модифицированного слоя зависит от плотности энергии пучка электронов и составляет при 10 Дж/см2 – 1-2 мкм; при 30 Дж/см2 – 25-30 мкм; при 50 Дж/см2 – 60-90 мкм. Толщина слоя со структурой высокоскоростной ячеистой кристаллизации увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов и при 50 Дж/см2 достигает ≈90 мкм. В поверхностном слое толщиной до 60 мкм в прослойках, разделяющих ячейки кристаллизации, присутствуют атомы кремния, меди, никеля и, в незначительном количестве, железа и магния. В слое, расположенном на расстоянии 60-80 мкм от поверхности облучения, в прослойках, разделяющих ячейки высокоскоростной кристаллизации, присутствуют атомы кремния и, в незначительном количестве, атомы меди. В слое, расположенном на расстоянии 80-90 мкм от поверхности облучения присутствуют кристаллиты кремния, интерметаллиды, вокруг кристаллитов кремния наблюдается структура ячеистой кристаллизации. Установлено, что при плотности энергии 10 Дж/см2 происходит снижение значения микротвердости, увеличение плотности энергии пучка электронов до 20-50 Дж/см2, увеличивает микротвердость в среднем до 1,1 ГПа.

Ключевые слова: импульсные электронные пучки, поршневой алюминиевый сплав, микроструктура, сканирующая электронная микроскопия, микротвердост, просвечивающая электронная микроскопия, плотность энергии пучка электронов.

УДК 669.713.017:621.79.18

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2020.01.005


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 17, No.1 (2020) 32-39

 

V.V. Shlyarov1, D.V. Zaguliaev1, A.A. Abaturova1, A.A. Leonov2, A.M. Ustinov2

Evolution of the microstructure and microhardness of the Al-10Si-2Cu piston alloy irradiated by a pulse electron beam

1Siberian State Industrial University, Kirov Str., 42, Novokuznetsk, 654007, Russia
2Institute of High Current Electronics SB RAS, Akademicheskii Pr., 2/3, Tomsk, 634055, Russia

The paper studies the structure, phase composition, state of the defective substructure and microhardness of the surface layers of the Al-10Si-2Cu piston alloy irradiated by a pulsed electron beam in the regimes differing in the electron beam energy density and pulse duration. It was found that at an electron beam energy density of 10 J/cm2, an initial degree of melting of the material surface is observed. At an electron beam energy density of 30 J/cm2, intermetallic compounds dissolve and numerous micropores form. At an electron beam energy density of 50 J/cm2, irrespective of the pulse duration, irregularly located microcracks were found on the irradiation surface. The formation of the surface layer is accompanied by the formation of a high-speed cellular crystallization structure, the cell sizes vary in the range of 500-650 nm. The thickness of the modified layer depends on the energy density of the electron beam and is at 10 J/cm2 – 1-2 μm; at 30 J/cm2 – 25-30 μm; at 50 J/cm2 – 60-90 μm. The thickness of the layer with the structure of high-speed cellular crystallization increases with increasing energy density of the electron beam and reaches ≈ 90 μm at 50 J/cm2. In the surface layer with a thickness of up to 60 μm, in the interlayers separating crystallization cells, there are atoms of silicon, copper, nickel and, in a small amount, iron and magnesium. In the layer located at a distance of 60-80 μm from the irradiation surface, in the layers separating the cells of high-speed crystallization, there are silicon atoms and, in a small amount, copper atoms. Silicon crystallites and intermetallic compounds are present in a layer located at a distance of 80-90 μm from the irradiation surface; a cellular crystallization structure is observed around silicon crystallites. It was established that at an energy density of 10 J/cm2, the microhardness decreases, the electron beam energy density increases to 20-50 J/cm2, and the microhardness increases to an average of 1.1 GPa.

Keywords: pulsed electron beams, piston aluminum alloy, microstructure, scanning electron microscopy, microhardness, transmission electron microscopy, electron beam energy density.