Modification of titanium (film) / aluminum (substrate) and silumin 25 wt.% (film)/aluminum systems are produced on the "SOLO" high-intensity pulsed electron beam at different modes of treatment. It leads to the formation of nanostructures. The hardness increased in 3 times and wear resistance in 7,5 times

Иванов, Юрий Федорович

Крысина, О. В.

Рыгина, М. Е.

Тересов, А. Д.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

Секция 2. Поверхностное упрочнение и защитные покрытия ______________________________________________________________________  123   0 100 200 300 400 5000,60,81,01,21,41,61,82,02,2aН, ГПаР, мН0 50 100 150 200 250 30070809010011012021бE, ГПаР, мН  Рисунок 2-Зависимость твердости Н и модуля Юнга Е от нагрузки на индентор (ме-тод наноинтентирования) поверхностного слоя силумина марки АК12, модифициро-ванного путем напыления силумина (слой толщиной 0,5 мкм) и последующей обра-ботки электронным пучком по режиму 15 Дж/см2, 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1. Штрих-пунктирными линиями обозначены характеристики исходного силумина марки АК12 (для (б) – 1 – модуль Юнга силумина; 2 – модуль Юнга кремния. Заключение. В результате выполненных исследований установлено, что ионно-электронно-плазменный метод позволяет осуществлять легирование поверх-ностного слоя силумина кремнием, переводя силумин эвтектического состава в заэвтектический. Выявлено, что модифицированные поверхностные слои характери-зуются повышенными значениями твердости и износостойкости.  Исследование выполнено за счет гранта РНФ (проект № 14-29-00091). Список литературы.  1. Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуми-нов.- М.: МИСИС, 2008.-282 с.   ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЛЕГИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИОННО-ЭЛЕКТРОННО-ПЛАЗМЕННОГО МЕТОДА М.Е. РЫГИНА1, О.В. КРЫСИНА2, А.Д. ТЕРЕСОВ2, Ю.Ф. ИВАНОВ1,2 1Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2Институт сильноточной электроники Сибирского отделения  Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) E-mail: L-7755me@mail.ru OPTIMIZATION OF PROCESSES ALLOYING ALUMINIUM BY IONIC-BEAM-PLASMA COATING M.E. RYGINA1, O.V. KRISINA2, A.D. TERESOV2, YU.F. IVANOV1, 2 1Tomsk Polytechnic University 2Institute of High Current Electronics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences E-mail: L-7755me@mail.ru Annotation. Modification of titanium (film) / aluminum (substrate) and silumin 25 wt.% (film)/aluminum systems are produced on the "SOLO" high-intensity pulsed electron beam at different modes of treatment. It leads to the formation of nanostructures. The hardness increased in 3 times and wear re-sistance in 7,5 times.  124    Введение. Легирование - это один из широко применяемых в промышленно-сти способов придания металлу повышенных эксплуатационных, механических и др. свойств. Однако объемное легирование требует большого количества легирую-щего элемента. Ионно-электронно-плазменный метод, модифицируя сравнительно тонкий (десятки-сотни мкм) поверхностный слой, позволяет сократить количество легирующих элементов. Титан и кремний являются одними из главных добавок, ко-торые используют для повышения твердости и износостойкости алюминия.  Основная цель данной работы – поиск оптимального режима ионно-электронно-плазменной обработки систем «титан (пленка)/алюминий (подложка)» и «кремний (пленка)/алюминий (подложка)», позволяющего кратно повысить твер-дость и износостойкость материала. Материал и методики исследования. Материалы для системы «титан (пленка)/алюминий (подложка)»: подложка - алюминий марки А7; распыляли титан марки ВТ1-0. Синтез тонких (0,5 мкм) пленок Ti осуществлялся на специализиро-ванной вакуумной установке «ТРИО» в плазме дуговых разрядов низкого давления [1]. Система «кремний (пленка)/алюминий (подложка)»: подложка - алюминий мар-ки А7; распыляли силумин заэвтектического состава (Al - 23 вес. % Si); толщина пленки 0,5 мкм и 1 мкм. Модификацию системы «пленка/подложка» проводили интенсивными им-пульсным электронным пучком на установке «СОЛО» [1]; плотность энергии пучка электронов 10 Дж/см2 и 15 Дж/см2, частота следования импульсов 0,3 с-1, число им-пульсов облучения изменяли в пределах от 3 до 30; длительность воздействия пучка электронов 50 мкс, энергия ускоренных электронов 18 кэВ.   Исследования элементного и фазового состава, дефектной структуры поверх-ности модифицирования проводили методами оптической (NEOFOT-32) и сканиру-ющей электронной (SEM-515 Philips) микроскопии, рентгеноструктурного анализа (дифрактометр XRD 6000, съемка осуществлялась в медном отфильтрованном излу-чении Cu-Kα1; монохроматор CM-3121). Прочностные свойства материала характе-ризовали микротвердостью (прибор ПМТ-3, нагрузка на индентор 0,1 Н). триболо-гические свойства характеризовали величиной износостойкости и коэффициента трения. Результаты исследования и их обсуждение. Результаты исследования си-стемы «титан (пленка)/алюминий (подложка)» показали, что наилучшие трибологи-ческие характеристики проявляются при режиме обработке с параметрами 15 Дж/см2, 3 имп., 50 мкс, 0,3 с-1 (рис. 1, кривая 1) – скорость изнашивания модифици-рованного слоя снижается более чем в 7,5 раз (относительно алюминия А7). Однако с повышением твердости поверхностный слой показывает заметное снижение изно-состойкости. Данное явление вызвано особенностями структуры поверхности моди-фицирования.  Секция 2. Поверхностное упрочнение и защитные покрытия ______________________________________________________________________  125    Характерные изображения структуры поверхности данной системы приведе-ны на рисунке 2. При облучении электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов ES=10 Дж/см2 (10 имп.) и 15 Дж/см2 (3 имп.) пленка титана, нанесенная на поверхность алюминия, сохраняется, однако фрагментируется микротрещинами (рис. 2, а, б). Размеры фрагментов при ES=15 Дж/см2 в (3-4) раза меньше, по сравне-нию с образцом, облученным при ES=10 Дж/см2. Объем микротрещин с поперечным размером ≈10 мкм заполняется расплавом алюминия, т.е. пленка титана вплавляется в поверхность образца алюминия. Параметр кристаллической решетки алюминия при ES=10 Дж/см2 а = (0,4041±0.0001) нм, что соответствует параметру решетки чи-стого алюминия; дополнительно к дифракционным максимума алюминия и титана на рентгенограммах выявляются дифракционные максимумы фазы Al3Ti; объемная доля интерметаллида ≈20 %, титана – 28 %.   Рисунок 2-Структура поверхности системы пленка/подложка, облученной элек-тронным пучком с параметрами а – 10 Дж/см2, 10 имп.; б – 15 Дж/см2, 3 имп.; в, г – 15 Дж/см2, 30 имп. Рисунок 1- Скорость изнашивания (кривая 1) и микротвердость (кривая 2) по-верхности технически чистого алюминия А7 (режим 1) и системы «пленка (Ti)/подложка (Al)» при различных режимов обработки электронным пучком с параметрами 2 – 10 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп.; 3 – 15 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп.; 4 –15 Дж/см2, 50 мкс, 30 имп.  126    Облучение при ES = 15 Дж/см2 (3 имп.) приводит к увеличению параметра решетки алюминия до а=(0,4050±0.0001) нм, что указывает на формирование сплава Al-Ti. Объемная доля интерметаллида Al3Ti снижается до ≈3 %, объемная доля ти-тана практически не изменяется (≈30 %). Увеличение количества импульсов воздей-ствия с 3 до 30 при ES = 15 Дж/см2 приводит к формированию структуры островко-вого типа (рис. 2, в, г). Области алюминия с пониженным содержанием титана име-ют зеренную структуру с размерами (1 – 1,5) мкм; в областях, обогащенных тита-ном, размер зерен (0,3-0,5) мкм. Анализируя систему «силумин (пленка)/алюминий (подложка)» можно отме-тить, что наибольшие показатели твердости проявляются при толщине напыляемой пленки 1 мкм и плотности энергии пучка электронов ES =15 Дж/см2. Увеличение плотности энергии пучка электронов до 20 Дж/см2 приводит (не зависимо от толщи-ны напыляемого слоя силумина) к снижению микротвердости облученной поверх-ности. Подобным же образом изменяется и процентное содержание кремния в при-поверхностном слое. Следовательно, одним из факторов, ответственных за увеличе-ние микротвердости поверхностного слоя технически чистого алюминия А7 являет-ся формирование двухфазной (алюминий-кремний) структуры. Характерные изображения структуры, полученные при данном эксперименте, приведены на рисунке 3.  Рисунок 3 - Структура поверхности образцов системы пленка (Al-Si25%)/подложка (A7), облученной импульсным электронным пучком; а) ES =15, h=0.5, б)ES =20, h=0.5, в)ES =15, h=1, г)ES =20, h=1 (h-толщина покрытия, мкм, ES-плотность потока, Дж/см2) а б в г Секция 2. Поверхностное упрочнение и защитные покрытия ______________________________________________________________________  127   Таблица 1-Значение твердости системы «силумин (пленка)/алюминий (подложка)» при разных концентрациях кремния Режим облучения Твердость, МПа Содержание кремния, % Технически чистый алюми-ний  250 ~0 ES =15 Дж/см2, h=0.5 мкм  425 29 ES =20 Дж/см2, h=0.5 мкм  370 6 ES =15 Дж/см2, h=1мкм  548 35 ES =20 Дж/см2, h=1 мкм  470 30 Выполнены исследования зависимости твердости и модуль Юнга для образ-цов системы «силумин (пленка)/алюминий (подложка)» (толщина пленки 1 мкм), обработанной электронным пучком по режиму 20 Дж / см2, 150 мкс, 5 имп, 0,3 с-1. Результаты исследований представлены на рис. 4. В табл. 2 приведены трибологиче-ские характеристики данной системы.  Таблица 2-Значение твердости системы «силумин (пленка)/алюминий (подложка)» при разных концентрациях кремния Режим V, 10-6, мм3/(Н*м) V0/V <µ> <µ0>/<µ> Технически чистый алюминий 7592  0.483  15 Дж/см2, 0,5 мкм 6080 1,25 0.385 1,25 15 Дж/см2, 1 мкм 6566 1,16 0.4 1,21 20 Дж/см2, 0,5 мкм 5466 1,39 0.353 1,37 20 Дж/см2, 1 мкм 4790 1,59 0.311 1,55 Рисунок 4-Зависимость твердости Н и модуля Юнга Е от нагрузки на индентор (метод наноинтентирования) поверхностного слоя алюминия, модифицированного путем напыления силумина (слой толщиной 1 мкм) и последующей обработки электронным пучком по режиму 20 Дж/см2, 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1. Штрих-пунктирными линиями обозначены характеристики исходного алюминия марки А7 а б  128    Анализируя представленные в табл. 2 результаты можно отметить, что ско-рость изнашивания при оптимальном режиме облучения (20 Дж/см2, 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1) модифицированного материала уменьшается в 1,5 раза.  Заключение. Ионно-электронно-плазменный метод позволяет сформировать поверхностные слои, характеризующиеся повышенным значением твердости (более чем в 3) и износостойкости (более чем в 7,5 раз). Выявленный эффект обусловлен формированием многофазной многоэлементной структуры с относительно малым размером зерен.  Исследование выполнено за счет гранта РНФ (проект № 14-29-00091). Список литературы.  1. Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой / А.П. Ласковнев [и др.]; под ред. А.П. Лас-ковнева. – Минск: «Беларус. навука», 2013. – 287 с.    ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАВОДОРОЖИВАНИЯ НА СКОРОСТЬ СОРБЦИИ ВОДОРОДА ЦИРКОНИЕВЫМ СПЛАВОМ Э110 С НАНЕСЕННЫМ СЛОЕМ НИКЕЛЯ М.Н. БАБИХИНА Научный руководитель: ассистент кафедры общей физики В.Н. Кудияров Томский политехнический университет E-mail: m.babihina@mail.ru INVESTIGATION OF HYDROGENATION PARAMETERS INFLUENCE ON THE HYDROGEN SORPTION RATE OF ZIRCONIUM ALLOY E110 COATED BY NICKEL LAYER M.N. BABIKHINA Scientific supervisor: assistant of General Physics department V.N. Kudiiarov Tomsk Polytechnic University E-mail: m.babihina@mail.ru Abstract. Investigation of temperature and pressure altering influence on hydrogen sorption rate of zirconium alloy E110 coated by nickel layer during hydrogenation at gas atmosphere was done in this work. It was shown that nickel coating on zirconium alloy results in significant hydrogen sorption rate increasing in temperature range 350 - 550 °C. The increasing of hydrogenation temperature from 350 °C to 550 °C at constant pressure 2 atm. leads to the hydrogen sorption rate increasing in 4.45 times for zirconium alloy coated by nickel layer. The increasing of hydrogenation pressure from 0.02 to 0.2 and from 0.2 to 2 atm. at constant temperature 550 °C leads to the hydrogen sorption rate increasing in 49.6 and 4.67 times respec-tively. Введение. Водород оказывает существенное влияние на физико-химические и механические свойства металлов и сплавов. Особенно актуальна эта проблема для циркониевых сплавов, которые эксплуатируются в активной зоне ядерного реактора [1-3]. Для проведения самых различных исследований необходимо подготавливать экспериментальные образцы с различными концентрациями водорода и с его раз-личным распределением по объему материала. Однако при наводороживании цир-кониевых сплавов важно учитывать, что они покрыты оксидной пленкой, которая 

Оптимизация процессов легирования алюминия с помощью ионно-электронно-плазменного метода

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University