Введение

В последние годы проблема снижения массы современных летательных аппаратов становится наиболее актуальной. При замене деталей из алюминиевых сплавов на детали из магниевых сплавов с повышенными прочностными характеристиками может быть достигнута весовая экономия в 20–25%.

Конструкторы перспективных изделий начинают рассматривать магниевые сплавы с улучшенными служебными характеристиками как одно из наиболее целесообразных решений проблемы снижения массы новых летательных аппаратов.

Таким образом, наиболее востребованными становятся высокопрочные магниевые сплавы. К сожалению, в ряде случаев существенным недостатком деформированных полуфабрикатов из серийных высокопрочных магниевых сплавов (МА5, МА5п.ч., МА14 и др.) является наличие анизотропии механических свойств – в первую очередь это касается прочностных характеристик.

Анизотропия – достаточно распространенное явление для полуфабрикатов из металлических конструкционных материалов. Условно можно рассматривать два вида анизотропии, принимая во внимание структурный признак:

– кристаллическая (гомогенная) анизотропия;

– гетерогенная (волокнистая, строчечная) анизотропия.

Возможно одновременное наличие гомогенной и гетерогенной структуры в материале. Наибольшую опасность представляет анизотропия механических свойств массивных деталей большого сечения, в процессе эксплуатации которых могут возникнуть значительные поперечные напряжения, а свойства в этих направлениях могут быть существенно ниже из-за особенностей технологии их изготовления и природы самого сплава. Анизотропию механических свойств деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов требуется учитывать при разработке конструкций из них, поскольку в противном случае это приводит к нежелательным последствиям при эксплуатации. Особенно важным представляется разработка сплавов на основе магния и технологий производства из них деформированных полуфабрикатов, характеризующихся минимально возможной анизотропией механических свойств.

Известно, что одним из путей снижения анизотропии механических свойств магниевых сплавов наряду со специально подобранной схемой деформации, может рассматриваться применение определенных редкоземельных элементов (РЗЭ) при легировании. Большинство РЗЭ оказывают благоприятное воздействие на структуру, фазовый состав магниевых сплавов, вызывая повышение таких служебных характеристик, как удельные прочность и жесткость, значения характеристик при сжатии и повышенных температурах [1–5].

Редкоземельные элементы, или лантаноиды, наряду с лантаном отнесены к побочной подгруппе III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева и достаточно хорошо изучены. Все РЗЭ условно делятся в соответствии с наиболее характерными химическими свойствами на две подгруппы:

– подгруппу цериевых РЗЭ (лантан, церий, празеодим, неодим, самарий и европий);

– подгруппу иттриевых элементов (иттрий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций) [6–9].

По характеру влияния на свойства магниевых сплавов элементы иттриевой и цериевой подгрупп могут различаться, а это имеет практическое значение при выборе сплава для применения в качестве материала детали в конкретной конструкции [10, 11].

Цель данной работы состояла в исследовании и сравнительном анализе влияния структуры и технологии деформации на величину анизотропии механических свойств деформированных полуфабрикатов из высокопрочных магниевых сплавов, содержащих РЗЭ – неодим и иттрий.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 8.4. «Высокопрочные коррозионностойкие свариваемые магниевые и литейные алюминиевые сплавы для изделий авиакосмической техники нового поколения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

В качестве материала для исследования выбраны прессованные полуфабрикаты, изготовленные в заводских условиях из сплава МА19 системы Mg–Zn–Zr–Nd (состав соответствует ГОСТ 14957–76) и сплава МА22 (ВМД10) системы Mg–Zn–Zr–Y. Слитки сплавов отлиты методом полунепрерывного литья с применением защитной атмосферы. После механической обработки и гомогенизации слитки подвергнуты прессованию на горизонтальном гидравлическом прессе с усилием 5000 тс, степень деформации составила 88–95%. Изготовлены полосы сечением 20×300 мм и 42×250 мм. Штамповки массой до 5 кг получены при деформации промежуточных заготовок, вырезанных из прессованного прутка, на вертикальном гидравлическом прессе.

Механические свойства сплавов определены при одноосном растяжении по ГОСТ 1497–84, ГОСТ 9651–84; ГОСТ 11150–84 на испытательной машине Instron; предел текучести при сжатии σ_0,2сж, МПа – по ГОСТ 25.503–97.

Микроструктурасплавов исследована на оптическом микроскопе типа МИ-8, оптическом инвертированном микроскопеDM IRM фирмы Leica.

Исследование^* микроструктуры образцов из прессованной полосы сплава МА22 проведено также на непротравленных шлифах с использованием растрового электронного микроскопа JSM6490-LV с приставкой для микрорентгеноспектрального анализа INCA450 по РТМ 1.2А-096–2000; фотографии выполнены в режиме СОМРО, изображение в котором формируется обратноотраженными электронами.

Контраст в цвете изображения фрагментов структуры в режиме СОМРО определяется средним атомным номером элементов, входящих в исследуемую область (фазу).

Фазовый состав сплавов изучен методом физико-химического фазового анализа. Химическое изолирование фаз с последующим рентгеноструктурным и химическим анализом изолята по методу порошков проведено на дифрактометре D/МАХ-2500 фирмы Rigaku. Интерпретация полученных результатов выполнена при помощи программы Gade.

Результаты и обсуждение

Исследование микроструктуры сплава МА19 в литом и гомогенизированном состояниях показывает, что по границам довольно крупных (120–150 мкм) дендритных ячеек располагается фаза, идентифицируемая как Mg₁₂Nd. Это согласуется с данными работ [7, 8]. Внутри дендритных ячеек и по их границам формируются частицы цирконида цинка (рис. 1 а, б).

Рис. 1 Микроструктура сплавов МА19 (а, б) и МА22 (в, г) в литом (а, в) и гомогенизированном (б, г) состояниях, ×200; д – дисперсные выделения цирконидов цинка в пограничных областях и в объеме зерна сплава МА22 (гомогенизированное состояние), ×2500

Проведение гомогенизации не вызывает растворения основной фазы Mg₁₂Nd. После гомогенизации наблюдается частичное нарушение сплошности выделений фазы Mg₁₂Nd на отдельных участках междендритных границ (рис. 1, б).

Микроструктура сплава МА22 в литом и гомогенизированном состояниях визуально имеет достаточно сложное строение (рис. 1, в, г). По границам более мелких, чем у сплава МА19, дендритных ячеек (50–80 мкм) располагаются фрагменты эвтектики.

Ранее в работе [12] состав эвтектики для сплава типа МА22 системы Mg–Zn–Zr–Y идентифицирован как α-твердый раствор+(Mg, Zn)₅Y.

Кроме того, при исследовании на растровом микроскопе подтверждено, что в объеме дендритных ячеек располагаются дисперсные частицы первичных интерметаллидных фаз, в том числе цирконидов цинка – Zn₂(Zr, Y)₃, Zn₂Zr₃, фазы Лавеса Zn₂Zr (рис. 1, д).

При последующем нагреве под деформацию и после самой деформации фазовый состав сплавов практически не меняется. При этом имеет место измельчение структурных составляющих (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура (×250) прессованной полосы из сплавов МА19 (а, б) и МА22 (в, г) в продольном (а, в) и поперечном (б, г) направлениях при степени деформации 94,5–95%

Обращает на себя внимание тот факт, что при сравнительно небольшом увеличении (рис. 2) отчетливо видно различие в характере структуры прессованных полос из сплавов МА19 (рис. 2, а, б) и МА22 (рис. 2, в, г). В долевом направлении структура прессованной полосы из сплава МА19 имеет выраженный строчечный характер: частицы упрочняющей фазы Mg₁₂Nd вытянуты вдоль оси деформации по границам удлиненных зерен. Ориентированные в направлении прессования волокна отделены друг от друга частицами фазы Mg₁₂Nd. Микроструктура в поперечном направлении прессованной полосы из сплава МА19 характеризуется хаотическим распределением дисперсных частиц упрочняющей фазы вблизи зерен округлой формы.

Для сплава МА22 имеет место иная картина: в направлении оси деформации ориентированность зерен не столь ярко выражена; в поперечном и долевом направлениях размер зерна не сильно различается (рис. 2 в, г) и составляет не более 8–15 мкм (рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура прессованной полосы из сплава МА22 в продольном (а) и поперечном (б) направлениях (растровая микроскопия)

Таким образом, редкоземельные элементы иттрий и неодим неоднозначно влияют на ориентированное распределение фаз в процессе деформации. Характер влияния некоторых РЗЭ на структурные изменения при деформации и, соответственно, на уровень механических свойств достаточно подробно рассмотрен зарубежными исследователями [13–16].

Рассмотренные отличия микроструктуры прессованных полос сплавов МА19 и МА22 во многом объясняют закономерности изменения механических свойств (табл. 1) деформированных полуфабрикатов в зависимости от направления (здесь и далее – по отношению к оси деформации).

Проведя анализ показателей механических характеристик, можно выделить несколько особенностей их изменения. При прочих равных условиях на различия в уровне свойств сплава МА19 в зависимости от направления испытания может оказывать влияние степень деформации при прессовании. Когда степень деформации составляет 88%, значения предела прочности в продольном направлении не превышают 302 МПа, предел текучести равен 245 МПа; относительное удлинение находится в интервале 11,6–14,0%. При этом значение коэффициента анизотропии по пределу прочности достигает 15,8%. Коэффициент анизотропии по пределу текучести еще выше: ≥32%. Величина относительного удлинения мало меняется в зависимости от направления испытания механических свойств (таблица 1).

Ужесточение технологических параметров деформации (в частности, увеличение степени деформации) приводит к возрастанию коэффициента анизотропии основных механических свойств и наиболее сильно сказывается на различии величины предела текучести в направлениях вдоль и поперек оси прессования. Изменение степени деформации с 88 до 95% вызывает заметный рост прочностных характеристик прессованной полосы из сплава МА19 в продольном направлении при минимальном росте аналогичных характеристик в поперечном направлении. Так, средние значения предела прочности возрастают на 16,8% (с 297 до 347 МПа); средние значения предела текучести увеличиваются в ~1,5 раза (с 244 до 335 МПа). При этом отмечается и рост коэффициента анизотропии: по пределу прочности – до 24,2%; по пределу текучести – до 48,4%. Как следует из данных, приведенных в табл. 1, именно для предела текучести при растяжении сплава МА19 наблюдается максимальный коэффициент анизотропии. Известно, что эта характеристика является наиболее структурно-чувствительной при статических испытаниях. Одновременно имеет место снижение величины относительного удлинения в обоих направлениях в ~2 раза.

Таблица 1

Сравнительные свойства прессованных полос сечением до 60 см²

из высокопрочных магниевых сплавов (без термообработки)

* (σ_Д-σ_П)/σ_Д.

Для сплава МА22 даже при высокой степени деформации (95%) коэффициент анизотропии по пределу прочности не превышает 9,6%, предела текучести 15%. Значения относительного удлинения остаются высокими для обоих направлений испытания (δ=12,0–22,4%).

Таким образом, в продольном направлении сплав МА19 имеет некоторые преимущества по величине предела прочности и текучести по сравнению со сплавом МА22 по абсолютным значениям этих характеристик. Одновременно сплав МА19 значительно уступает сплаву МА22 по абсолютным значениям прочностных свойств в поперечном направлении вырезки полос, отпрессованных со степенью деформации 95%, а также по величине относительного удлинения (табл. 1).

При испытании на сжатие деформированных полуфабрикатов из исследуемых сплавов МА19 и МА22 установлено, что такая ответственная характеристика, как предел текучести при сжатии (σ_0,2сж) для сплава МА19 не превышает 180–205 МПа для всех исследованных деформированных полуфабрикатов. При прочих равных условиях для сплава МА22 величина предела текучести при сжатии штамповки составляет от 235 (высотное направление, минимальное значение) до 260 МПа (продольное направление, максимальное значение); для прессованной полосы σ_0,2сж=248–265 МПа (интервал значений приведен по всем направлениям).

Основное объяснение малой анизотропии прочностных свойств прессованной полосы из сплава МА22, повышенного уровня этих свойств, хорошего запаса пластичности заключается в особенностях микроструктуры и фазового состава этого сплава:

– основной α-твердый раствор сплава МА22 насыщен упрочняющими легирующими элементами – в первую очередь иттрием и цинком;

– в матрице сплава – α-твердом растворе – достаточно равномерно распределены частицы упрочняющих фаз: фазы Лавеса ZrZn₂ и фазы переменного состава Zn₂(Zr, РЗЭ)₃ в виде высокодисперсных включений;

– эти частицы ориентированы хаотически равномерно, не следуют направлению деформации, в отличие от упрочняющей фазы Mg₁₂Nd в сплаве МА19, которая имеет четко выраженную геометрическую направленность (так называемую «строчечность») параллельно оси деформации;

– изначально – в литом и гомогенизированном состояниях, а также после деформации сплав МА22 из-за своей природы обладает более мелкозернистой и равноосной структурой, чем сплав МА19.

Таким образом, в сплаве МА22 сбалансированный химический состав и присутствие иттрия в качестве основного легирующего компонента формируют особый фазовый состав и мелкозернистую структуру и активно способствуют повышению уровня основных свойств (σ_в, σ_0,2, δ), определяемых при статических испытаниях в различных направлениях по отношению к оси деформации, при одновременном снижении их анизотропии.

В сплаве МА19 редкоземельный элемент неодим не столь эффективно улучшает механические свойства, как иттрий в сплаве МА22. Характер выделений упрочняющей фазы Mg₁₂Nd, как установлено ранее, крайне неблагоприятен.

Некоторые исследователи с целью формирования более благоприятных структуры и фазового состава магниевого сплава рассматривают возможность его дополнительного легирования небольшим количеством олова [17, 18].

Однако, по мнению авторов данной статьи, предпочтительным представляется исследовать возможность повышения прочностных свойств и снижения коэффициента анизотропии механических характеристик в сплаве МА19 путем использования более сложной схемы деформации при изготовлении деформированных полуфабрикатов. Подобные пути снижения выраженной анизотропии, как в случае сплава МА19, изложены в работах отечественных и зарубежных исследователей [2, 19–24].

Таким образом, изготовление штамповок массой до 5 кг из сплава МА19 проведено по двум различным технологическим схемам. Первая схема предусматривала получение штамповки массой до 5 кг из прессованного прутка, использованного в качестве промежуточной заготовки. По второй схеме деформации в соответствии с известными технологическими приемами сделана попытка максимально избежать строчечности структуры путем предварительной обработки давлением промежуточной заготовки с преобладанием схемы всестороннего неравномерного сжатия. Для этого введена дополнительная операция ковки прессованной промежуточной заготовки. Затем проведена собственно объемная деформация с получением штамповки массой до 5 кг.

Штамповка из сплава МА22 получена непосредственно из прессованной промежуточной заготовки без дополнительной операции ковки.

Результаты испытания механических свойств штамповок из сплава МА19 (изготовленных по двум схемам деформации), а также штамповок из сплава МА22 представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительные свойства штамповок массой до 5 кг

из высокопрочных магниевых сплавов (без термообработки)

Сравнительный анализ полученных значений свойств свидетельствует о том, что при применении в качестве промежуточной заготовки предварительно прессованного прутка максимальный уровень прочностных свойств штамповки из сплава МА19 наблюдается в хордовом направлении: σ_в=310–318 МПа, σ_0,2=274–283 МПа. Эти значения соответственно на 19,4 и 14% больше, чем в радиальном направлении, и на 32,5 и 29,3% – чем в высотном направлении. При этом средние значения относительного удлинения сохраняются на хорошем уровне по всем исследованным направлениям (δ=7,6–9,3%).

Введение дополнительной операции ковки прессованной промежуточной заготовки позволяет заметно поднять уровень значений предела текучести в первую очередь в радиальном и высотном направлениях штамповки сплава МА19 (на 8–15%). В хордовом направлении прирост этих свойств составляет порядка 1–3%. Величина относительного удлинения возрастает в радиальном направлении до 10,8–15% (в ~1,5 раза), в остальных направлениях – сохраняется практически на том же уровне, что и для штамповок, изготовленных из промежуточного прессованного прутка. В итоге для сплава МА19 в случае применения усложненной схемы деформации промежуточной заготовки наблюдается снижение анизотропии прочностных свойств до значений коэффициента анизотропии 10–16%. Общий уровень показателей предела прочности остается невысоким: σ_в=272–317 МПа (табл. 2). Однако следует учитывать возможное удорожание всего технологического цикла изготовления штамповок из сплава МА19 при введении операции дополнительной ковки промежуточной прессованной заготовки.

Для получения штамповок из сплава МА22 использован вариант без дополнительной ковки заготовок из прессованного промежуточного прутка. Максимальные значения предела прочности (336 МПа) и предела текучести (260 МПа) в радиальном направлении превышают всего на 9,3 и на 6% соответственно эти же характеристики в минимальном (высотном) направлении.

Таким образом, подтверждено, что сплав МА22 по своей природе менее склонен к проявлению анизотропии механических свойств, чем сплав МА19.

Заключения

1. Исследовано влияние структуры и фазового состава на величину основных механических свойств и их анизотропию для деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов МА19 и МА22, содержащих РЗЭ – неодим и иттрий.

2. Установлено, что при прочих равных условиях величина коэффициента анизотропии прочностных свойств прессованных и штампованных полуфабрикатов из сплава МА19 в 1,5–2,0 раза выше, чем для тех же полуфабрикатов из сплава МА22.

3. Дополнительное усложнение схемы деформации сплава МА19 способствует снижению коэффициента анизотропии прочностных свойств. Так, в высотном направлении коэффициент анизотропии снижается с 29,3–32,5 до 10–16%, однако общий уровень прочностных свойств остается невысоким.

4. Малая анизотропия и повышенный уровень прочностных свойств деформированных полуфабрикатов из сплава МА22, хороший запас пластичности могут быть объяснены формированием мелкозернистой структуры, благоприятной морфологией частиц упрочняющих фаз (фазы Лавеса ZrZn₂ и фазы переменного состава Zn₂(Zr, РЗЭ)₃) в виде высокодисперсных включений, в отличие от упрочняющей фазы Mg₁₂Nd с выраженной направленностью в продольном направлении («строчечности») в сплаве МА19.