CC BY
69
УДК 669.721.5:546.65
А.В. Фролов1, И.Ю. Мухина1, А.А. Леонов1, З.П. Уридия1
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ЛИТЕЙНОГО МАГНИЕВОГО СПЛАВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СОСТАВА СИСТЕМЫ Mg-Zr-Zn-Y-Nd
DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-3-3 -3
Повышение рабочих температур эксплуатации изделий делает актуальной задачу создания литейных магниевых сплавов с высокими прочностными и жаропрочными характеристиками. Достижение повышенных прочностных и жаропрочных свойств литейных магниевых сплавов осуществляется путем легирования перспективными элементами, включая выбор и оптимизацию режимов термической обработки. Перспективным может быть комплексное легирование несколькими РЗМ иттриевой (Y, Nd) и цериевой (Ce, La, Pr) подгрупп в разных соотношениях. Дорогостоящие РЗМ, такие как эрбий, гадолиний, самарий и другие, могут быть опробованы в качестве микродобавок, улучшающих жаропрочные характеристики сплава.
При легировании редкоземельными элементами появляется устойчивый эффект упрочнения границ зерен соединениями Mg12Nd, Mg12Ce, Mg12La, Mg24Y5 и более сложными, а также значительное снижение окисляемости магниевого сплава уже при введении малых добавок таких РЗМ, как иттрий, диспрозий, эрбий, гадолиний в оптимальных соотношениях. Введение иттрия, неодима, гадолиния в определенных соотношениях в систему магний-цирконий приводит к значительным изменениям фазового состава сплава, повышению термической стабильности твердого раствора и упрочняющих фаз за счет уменьшения в составе фаз основы сплава - магния.
Ключевые слова: литейные жаропрочные магниевые сплавы, легирующие редкоземельные элементы.
The increase of the articles operating temperature makes critical the task of creation of casting magnesium alloys with high strength and heat-resistant characteristics. Provision of high strength and heat resistant properties of cast magnesium alloys can be achieved by alloying with prospective elements, including selection and optimization of thermal processing conditions. An integrated doping of several rare-earth metals of yttrium (Y, Nd) and cerium (Ce, La, Pr) subgroups in different proportions can be perspective. Expensive rare-earth metals such as erbium, gadolinium, samarium and others can be tested as microadditives improving heat-resistant characteristics of the alloy.
When doping rare earth elements, a steady effect of grain boundaries hardening with Mgi2Nd, Mgi2Ce, Mgi2La, Mg24Y5 compounds as well as a significant reduction in oxidation of magnesium alloy even at the content of 0,1 to 1,0% of such REM as yttrium, dysprosium, erbium, gadolinium. The yttrium, neodymium and gadolinium introduction in a certain ratio into the magnesium-zirconium composition leads to significant changes in the phase composition of the alloy, improving thermal stability of the solid solution and hardening phases due to a decrease of magnesium in the phase composition.
Keywords: casting heat-resistant magnesium alloys, alloying rare earth elements.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Современные легкие конструкционные металлические материалы представляют собой сложнолегированные составы, работоспособные в широком интервале температур, тем не менее их применение ограничивается рядом процессов, протекающих в металлах при повышенной температуре. Для создания перспективных изделий транспортного и энергетического машиностроения, народного хозяйства, авиационной и ракетной техники требуется разработка материалов на основе магния с более высоким комплексом свойств при повышенных температурах [1-4]. Металлургия редкоземельных металлов за последние годы сделала большой скачок в области технологий добычи и освоения, что позволяет рассматривать РЗМ в качестве перспективных легирующих элементов в большинстве конструкционных материалов [5-7].
В различных отраслях российской промышленности широко используются литейные магниевые сплавы марок МЛ5 и МЛ 10. Изделия из сплава МЛ5 эксплуатируются при температурах, не превышающих 150°С. При более высоких температурах (200°С) происходит быстрое разупрочнение, предел длительной прочности сплава МЛ5
составляет о^0" =50 МПа [7, 8].
Промышленные жаропрочные магниевые сплавы разработаны на основе системы «магний-редкоземельный металл-цирконий». Из редкоземельных металлов широко используются неодим, иттрий, церий и цериевый миш-металл. Сплавы на основе системы «магний-неодим» отличаются удачным сочетанием механических свойств при комнатной температуре с достаточно высокой жаропрочностью, хорошими литейными и технологическими свойствами [10].
Повышение прочностных характеристик литейных магниевых сплавов при температурах >200°С является сложной задачей, для реализации которой необходимо проведение ряда исследований, комплексное введение различных РЗМ (иттрия, гадолиния, неодима), подбор их соотношения [11, 12].
Таким образом, создание нового поколения конструкционных материалов, работоспособных при повышенных температурах, возможно при развитии технологий легирования металлических материалов РЗМ (включая малые добавки) с целью модификации структуры и получения улучшенного комплекса свойств по сравнению с традиционно применяемыми в российской технике материалами [13, 14].
Материалы и методы
В результате проведенных патентных исследований и опыта работ ФГУП «ВИАМ» был выбран предварительный экспериментальный состав нового жаропрочного литейного магниевого сплава, легированного РЗМ: М§-Ыё-2г - основа (У, Оё, Ег).
Исследование и выбор технологических параметров плавки и литья осуществляли на основании проведенного обзора и анализа научно-технической информации в области основных технологических параметров плавки литейных магниевых сплавов, способов и температурных режимов модифицирования и рафинирования, результатов
исследования химического состава, механических свойств (ов, о0,2 и 5) образцов экспериментальных составов.
Проведены выплавка и литье магниевого сплава экспериментальных составов. При расчете шихтового состава плавок использован готовый магниевый сплав в виде слитков, содержащий цирконий и неодим. Экспериментальные составы сплава для достижения требуемого уровня свойств дополнительно легированы цинком, цирконием, РЗМ (неодимом, иттрием, гадолинием и др.) Сумма редкоземельных металлов составила 2-12% (по массе).
Исследование микроструктуры шлифов из жаропрочного магниевого сплава, легированного РЗМ, экспериментальных составов проводили в литом и термически обработанном состояниях, по предварительно выбранному режиму Т61, на металлографическом микроскопе Jeica DM JRM при увеличениях: х200 и х 1000. Травление шлифов осуществляли 1%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте.
Результаты
Экспериментальные составы жаропрочного литейного магниевого сплава расположены в той области соответствующих диаграмм состояния, показанных на рис. 1, где сплав при нагреве может перейти в однофазное состояние, при условии, что температура закалки выше температуры линии сольвус сплава [15, 16]. Правильно выбранная температура закалки должна обеспечить растворение избыточных фаз в матричном растворе [17, 18]. При этом упрочнение происходит за счет появления дисперсных частиц, выпадающих из твердого раствора в процессе старения и играющих роль препятствий, тормозящих движение дислокаций в условиях ползучести. Высокая жаропрочность достигается при создании гетерофазной мелкодисперсной тонкой структуры [19, 20]. С целью выбора температуры закалки изготовлены образцы и определены температуры солидус и ликвидус экспериментальных составов литейного магниевого сплава. Анализ полученных данных позволил выбрать предварительный режим термической обработки.
Температура изменения фазового состояния экспериментальных составов варьируется следующим образом: температура солидус изменяется незначительно - от 597 до 602°^ температура ликвидус постоянна и составляет 617°С
При исследовании влияния термической обработки на механические свойства и микроструктуру сплава экспериментальных составов 1 (система Nd-Gd-Y), 2 (система Nd-Y) и 3 (система Nd-Оd-Eг) установлено, что при примененном режиме термообработки не все упрочняющие фазы переходят в твердый раствор (рис. 2). С учетом вышеизложенного можно предположить, что имеется резерв повышения свойств при разработке специальной технологии термической обработки.
Рис. 1. Диаграммы состояния сплавов систем Мр-№ Mg-Gd (б), Mg-Y (в) и Mg-Nd-Zr (г)
Литое сосюяние Термообрабо1анное состояние
а)
Состав 1 \lg-Nd-Gd-Y-Zii-Zr
6)
Состав 2 \Ig-Nd-Y-Zn-Zr
в)
Состав 3 \lg-Nd-Gd-Er-Zn-Zr
Рис. 2. Микроструктуры экспериментальных составов жаропрочного литейного магниевого сплава в литом (х200) и термообработанном (х 1000) состояниях
Таблица 1
Средние значения механических свойств экспериментальных составов литейного магниевого сплава
Условный номер состава Предел прочности при растяжении Предел текучести Относительное удлинение, %
М] Па
1 2 3 270,0 260,5 277,0 220,5 218,5 209,0 1,62 2,66 2,03
Средние значения жаропрочности экспериментальных составов
Условный номер состава о250°, МПа Время
до разрушения образца, ч
1 100 100-119
2 105 201
3 100 93
Таблица 2
Проведено исследование механических свойств (ов, о0,2 и 5) при 20°С и определены значения предела длительной прочности после выдержки при температуре 250°С экспериментальных составов жаропрочного литейного магниевого сплава (табл. 1 и 2).
Заключение
Таким образом, повышенные прочностные и жаропрочные характеристики экспериментального литейного жаропрочного магниевого сплава (по сравнению с промышленными сплавами) достигнуты путем комплексного легирования РЗМ цериевой (Nd) и иттриевой (Gd, Er) групп в различных соотношениях.
Дальнейшие исследования в этом направлении и создание нового поколения конструкционных материалов на магниевой основе позволят повысить весовую эффективность, эксплуатационную надежность и долговечность деталей ответственного назначения; улучшить летные характеристики авиакосмических изделий, двигателей наземного базирования газоперекачивающих установок; исключить необходимость приобретения аналогичной зарубежной техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корнышева И.С., Волкова Е.Ф., Гончаренко Е.С., Мухина И.Ю. Перспективы применения магниевых и литейных алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 212-222.
2. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
3. Каримова С.А., Павловская Т.Г. Разработка способов защиты от коррозии конструкций, работающих в условиях космоса // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №4. Ст. 02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 27.07.2015).
4. Каблов E.H. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.
5. Каблов E.H. ВИАМ: продолжение пути // Наука в России. 2012. №3. С. 36-44.
6. Каблов E.H. Современные материалы - основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10-15.
7. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Вершков A.B. Редкие металлы и редкоземельные элементы -материалы современных и будущих высоких технологий // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №2. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 27.07.2015).
8. Гончаренко Е.С., Корнышева И.С. Отливки из алюминиевых сплавов. Исследования, материалы, технологии // Литейное производство. 2013. №2. С. 2-4.
9. Гончаренко Е.С., Корнышева И.С. Перспективы применения отливок из алюминиевых сплавов // Литейное производство. 2012. №1. С. 21-23.
10. Дуюнова В.А., Гончаренко Е.С., Мухина И.Ю., Уридия З.П., Волкова Е.Ф. Научное наследие академика И.Н. Фридляндера. Современные исследования магниевых и литейных алюминиевых сплавов // Цветные металлы. 2013. №9. С. 71-78.
11. Каблов E.H., Мухина И.Ю., Корчагина В.А. Присадочные материалы для формовочных смесей при литье магниевых сплавов // Литейное производство. 2007. №5. С. 15-18.
12. Фролов A.B., Мухина И.Ю., Дуюнова В.А., Уридия З.П. Влияние технологических параметров плавки на структуру и свойства новых магниевых сплавов // Металлургия машиностроения. 2014. №2. С. 26-29.
13. Антипов В.В., Вахромов P.O., Дуюнова В.А., Ночовная H.A. Материалы с высокой удельной прочностью на основе алюминия, магния, титана и технологии их переработки // Боеприпасы и спецхимия. 2013. №3. С. 51-55.
14. Рохлин Л.Л. Магниевые сплавы, содержащие редкоземельные металлы. М.: Наука, 1980. 190 с.
15. Мухина И.Ю. Структура и свойства новых литейных магниевых сплавов // Литейное производство. 2011. №12. С. 12-14.
16. Мухина И.Ю., Дуюнова В.А., Фролов A.B., Уридия З.П. Влияние легирования РЗМ на жаропрочность литейных магниевых сплавов // Металлургия машиностроения. 2014. №5. С.34-38.
17. Мухина И.Ю., Уридия З.П., Степанов В.В. Исследование качества магниево-циркониевой лигатуры / В кн. Магниевые сплавы для современной техники. М.: Наука, 1992. С. 135-142.
18. Сплав на основе магния: пат. 2318031 Рос. Федерация; опубл. 27.02.08.
19. Сплав на основе магния и изделие, выполненное из него: пат. 2293784 Рос. Федерация; опубл. 20.02.07.
20. Рейнор Г.В. Металловедение магния и его сплавов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1964. 477 с.
