Статьи
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.
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 МЛ10. 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 
[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: Mg–Nd–Zr – основа +∑(Y, Gd, Er).
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 (σв, σ0,2 и δ) 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: ×200 и ×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°C; температура ликвидус постоянна и составляет 617°C.
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–Gd–Er) 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.
Проведено исследование механических свойств (σв, σ0,2 и δ) 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).
Таблица 1
Средние значения механических свойств экспериментальных составов
литейного магниевого сплава
|
Условный номер состава |
Предел прочности при растяжении |
Предел текучести |
Относительное % |
|
МПа |
|||
|
1 |
270,0 |
220,5 |
1,62 |
|
2 |
260,5 |
218,5 |
2,66 |
|
3 |
277,0 |
209,0 |
2,03 |
Рис. 1. Диаграммы состояния сплавов систем Mg–Nd (a), Mg–Gd (б), Mg–Y (в) и Mg–Nd–Zr (г)
Рис. 2. Микроструктуры экспериментальных составов жаропрочного литейного магниевого сплава в литом (×200) и термообработанном (×1000) состояниях
Таблица 2
Средние значения жаропрочности экспериментальных составов
литейного магниевого сплава при температуре испытания 250°С
|
Условный номер состава |
МПа |
Время |
|
1 |
100 |
100–119 |
|
2 |
105 |
201 |
|
3 |
100 |
93 |
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.
2. Каблов Е.Н. 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 Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
5. Каблов Е.Н. ВИАМ: продолжение пути // Наука в России. 2012. №3. С. 36–44.
6. Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
7. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. 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 Е.Н., Мухина И.Ю., Корчагина В.А. Присадочные материалы для формовочных смесей при литье магниевых сплавов // Литейное производство. 2007. №5. С. 15–18.
12. Фролов А.В., 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 Р.О., Дуюнова В.А., Ночовная Н.А. 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 А.В., 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.
2. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33.
3. Karimova S.A., Pavlovskaya T.G. Razrabotka sposobov zashhity ot korrozii konstrukcij, rabotayushhih v usloviyah kosmosa [Development of ways of corrosion protection of the designs working in the conditions of space] // Trudy VIAM: electron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №4. St. 02. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 27, 2015).
4. Kablov E.N. Materialy i himicheskie tehnologii dlya aviacionnoj tehniki [Materials and chemical technologies for aviation engineering] // Vestnik Rossijskoj akademii nauk. 2012. T. 82. №6. S. 520–530.
5. Kablov E.N. VIAM: prodolzhenie puti [VIAM: way continuation] //Nauka v Rossii. 2012. №3. S. 36–44.
6. Kablov E.N. Sovremennye materialy – osnova innovacionnoj modernizacii Rossii [Modern materials – basis of innovative modernization of Russia] // Metally Evrazii. 2012. №3. S. 10–15.
7. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Vershkov A.V. Redkie metally i redkozemelnye elementy – materialy sovremennyh i budushhih vysokih tehnologij [Rare metals and rare earth elements – materials of modern and future high technologies] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №2. St. 01. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 27, 2015).
8. Goncharenko E.S., Kornysheva I.S. Otlivki iz alyuminievyh splavov. Issledovaniya, materialy, tehnologii [Casting from aluminum alloys. Researches, materials, technologies] // Litejnoe proizvodstvo. 2013. №2. S. 2–4.
9. Goncharenko E.S., Kornysheva I.S. Perspektivy primeneniya otlivok iz alyuminievyh splavov [Perspectives of application of otlivka from aluminum alloys] // Litejnoe proizvodstvo. 2012. №1. S. 21–23.
10. Duyunova V.A., Goncharenko E.S., Muhina I.Yu., Uridiya Z.P., Volkova E.F. Nauchnoe nasledie akademika I.N. Fridlyandera. Sovremennye issledovaniya magnievyh i litejnyh alyuminievyh splavov // Tsvetnye metally. 2013. №9. S. 71–78.
11. Kablov E.N., Muhina I.Yu., Korchagina V.A. Prisadochnye materialy dlya formovochnyh smesej pri lit'e magnievyh splavov [Filler materials for forming mixes when molding magnesium alloys] // Litejnoe proizvodstvo. 2007. №5. S. 15–18.
12. Frolov A.V., Muhina I.Yu., Duyunova V.A., Uridiya Z.P. Vliyanie tehnologicheskih parametrov plavki na strukturu i svojstva novyh magnievyh splavov [Influence of technological parameters of melting on structure and property of new magnesium alloys] // Metallurgiya mashinostroeniya. 2014. №2. S. 26–29.
13. Antipov V.V., Vahromov R.O., Duyunova V.A., Nochovnaya N.A. Materialy s vysokoj udelnoj prochnostyu na osnove alyuminiya, magniya, titana i tehnologii ih pererabotki [Materials with high specific strength on the basis of aluminum, magnesium, titanium and technology of their processing] // Boepripasy i spechimiya. 2013. №3. S. 51–55.
14. Rohlin L.L. Magnievye splavy, soderzhashhie redkozemelnye metally [The magnesium alloys containing rare earth metals]. M.: Nauka, 1980. 190 s.
15. Muhina I.Yu. Struktura i svojstva novyh litejnyh magnievyh splavov [Structure and properties of new cast magnesium alloys] // Litejnoe proizvodstvo. 2011. №12. S. 12–14.
16. Muhina I.Yu., Duyunova V.A., Frolov A.V., Uridiya Z.P. Vliyanie legirovaniya RZM na zharoprochnost' litejnyh magnievyh splavov [Influence of alloying of RZM on thermal stability of cast magnesium alloys] // Metallurgiya mashinostroeniya. 2014. №5. S. 34–38.
17. Muhina I.Yu., Uridiya Z.P., Stepanov V.V. Issledovanie kachestva magnievo-cirkonievoj ligatury [Research of quality of magnesium-zirconium ligature] / V kn. Magnievye splavy dlya sovremennoj tehniki. M.: Nauka, 1992. S. 135–142.
18. Splav na osnove magniya [Magnesium-based alloy]: pat. 2318031 Ros. Federaciya; opubl. 27.02.2008.
19. Splav na osnove magniya i izdelie, vypolnennoe iz nego [Magnesium-based alloy and the product which has been executed of it]: pat. 2293784 Ros. Federaciya; opubl. 20.02.2007.
20. Rejnor G.V. Metallovedenie magniya i ego splavov. Per. s angl. [Metallurgical science of magnesium and its alloys. Translation form English]. M.: Metallurgiya. 1964. 477 s.