Введение

В настоящее время в промышленности предъявляют высокие требования к изделиям в части увеличения ресурса и срока сервисного обслуживания, что возможно только при использовании качественных материалов. Повысить эксплуатационные характеристики литых деталей из магниевых сплавов можно путем усовершенствования имеющихся технологий и разработки новых технологических подходов.

При выплавке и механической обработке отливок встречаются поверхностные дефекты, которые необходимо устранять. Одним из перспективных направлений является локальный ремонт отливок и деталей с использованием порошка методом холодного газодинамического напыления (ХГН) как в процессе производства деталей, так и при ремонте готового изделия [1–3].

Метод ХГН – это перспективный способ устранения литейных дефектов и восстановления геометрических размеров отливок и деталей из магниевых сплавов. При механической обработке магниевых сплавов внутренние дефекты могут становиться поверхностными. В процессе эксплуатации может возникать деградация поверхности детали. Метод ХГН позволяет оперативно в кратчайшие сроки устранить дефекты: в процессе напыления при ударах нерасплавленных металлических частиц о место дефекта происходит их пластическая деформация, и дефект послойно заполняется.

Кроме того, метод ХГН можно использовать для герметизации отливок и деталей, подверженных воздействию различных жидкостей и масел. В связи с этим активно ведется разработка новых порошковых материалов и технологий их напыления [4–6].

Одним из способов повышения качества магниевых сплавов является фильтрация расплава, применяемая для удаления оставшихся нежелательных примесей (неметаллических и шлаковых включений). Для этого используются различные фильтры и сетки. Кроме того, применяется метод флотации, при котором расплавленный магниевый сплав продувается газом, например аргоном или гелием. В результате происходит прилипание частиц оксидов, хлоридов, неметаллических включений к газовым пузырькам, которые выносят их на поверхность и в дальнейшем удаляются вместе с образующимся шлаком. Однако фильтрации не всегда уделяют должное внимание, что приводит к получению различного рода дефектов [7–10].

Фильтрация позволяет улучшить структуру и механические свойства сплава, уменьшить количество дефектов внутри и на поверхности изделий. Это повышает надежность и долговечность изделий, что особенно важно в производстве ответственных изделий авиационной техники [11–13].

Для изготовления фильтров для магниевых сплавов используют материалы с высокой термостойкостью. К таким материалам относятся кварц, стекловолокно, керамика и стальные сетки. Керамические фильтры обычно изготавливают из оксида алюминия, оксида циркония или карбида кремния. Кварцевые фильтры также являются эффективными при фильтрации магниевых сплавов, так как они обладают высокой термостойкостью и химической инертностью. Выбор типа фильтра зависит от состава магниевого сплава, процесса литья и требований к качеству конечного продукта. Керамические фильтры обычно используют для магниевых сплавов, содержащих высокую концентрацию соединений оксида циркония, поскольку они могут улавливать эти включения. Металлические фильтры могут быть более эффективными для удаления шлаковых примесей [14–17].

Фильтрация магниевых сплавов является важным этапом производства, который позволяет получить чистый и высококачественный продукт, а также может повысить производительность.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10.10. «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии изготовления деформируемых полуфабрикатов и фасонных отливок из магниевых и алюминиевых сплавов («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и методы

В качестве материалов использовали магниевые сплавы марок МЛ5пч (системы Mg–Al–Zn), МЛ10 и ВМЛ26 (системы Mg–РЗМ–Zr). Сплавы выплавляли с использованием индукционной печи в защитной газовой среде, состоящей из смеси элегаза и углекислого газа.

Для устранения литейных дефектов и восстановления геометрических размеров использовали установку ДИМЕТ-405 и порошки марок А-80, А-20.

Испытания на растяжение образцов из магниевых сплавов проводили при комнатной температуре в соответствии с ГОСТ 1497–84.

Химический состав определяли методом атомно-эмиссионного анализа в соответствии с ГОСТ 3240.0–3240.21–76, МИ 1.2.078 и МИ 1.2.079, коррозионную стойкость – по ГОСТ 9.913–90, адгезию лакокрасочных покрытий – по ГОСТ 15140–78.

Микроструктуру образцов исследовали в соответствии с МР 21-31–85 и ГОСТ Р ИСО 22309–2015 с помощью просвечивающего электронного микроскопа c термополевым катодом типа Шоттки при ускоряющем напряжении 200 кВ. Съемку проводили в сканирующем режиме с применением светлопольного (BF) и высокоуглового кольцевого темнопольного (HAADF) детекторов. Съемку электронных дифракций в сходящемся пучке осуществляли с помощью нижней CCD-камеры. Локальный химический анализ структурных составляющих проводили рентгеноспектральным методом с использованием энергодисперсионного спектрометра. Обработку результатов исследований и подбор кристаллической решетки интерметаллидных соединений осуществляли с помощью специализированного программного обеспечения.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Устранение литейных дефектов и восстановление геометрических размеров

Для устранения литейных дефектов методом ХГН на отливках из магниевых сплавов МЛ5пч и МЛ10 изготавливали литейные формы и стержни. В качестве основы для изготовления литейных форм и стержней выбран кварцевый песок с высокой однородностью и средним размером зерна 0,16–0,25 мм марки 2К2О102 по ГОСТ 2138–91. В качестве смолы использовали фенолформальдегидную смолу марки АСП-Н и отвердитель марки АМС-10. Формы и стержни изготовлены с применением литейной оснастки для получения отливок «Корпус» на формовочном комплексе. Полученные формы, стержни и отливки представлены на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Верхние и нижние полуформы отливки «Корпус» со стержнями

Рис. 2. Отливки «Корпус» из сплавов МЛ10 (а) и МЛ5пч (б)

Проведены исследования химического состава серийных сплавов МЛ5пч и МЛ10, по результатам которых установлено их полное соответствие ГОСТ 2856–79 по содержанию основных элементов и примесей. Отливки из магниевых сплавов МЛ5пч и МЛ10 прошли термическую обработку по режимам Т4 и Т6 соответственно.

Исследованы механические свойства отдельно отлитых образцов из сплавов МЛ5пч и МЛ10 на соответствие ГОСТ 2856–79 (табл. 1).

Таблица 1

Механические свойства отдельно отлитых образцов из сплавов МЛ5пч и МЛ10

Для опробования технологии, позволяющей устранить литейные дефекты методом ХГН, отобраны отливки с характерными дефектами, такими как газовые раковины и поры.

Для устранения дефектов выбраны два порошка марок А-80 и А-20. По трем различным режимам с использованием установки ДИМЕТ-405 выполнено напыление на отобранные отливки с литейными дефектами. На рис. 3 представлена отливка с характерным дефектом до и после напыления.

Рис. 3. Отливка «Корпус» до (а) и после напыления (б)

Для исследований структуры, механических свойств, коррозионной стойкости и адгезии из отливок с устраненными дефектами вырезаны заготовки.

Исследованы механические свойства образцов из магниевых сплавов МЛ5пч и МЛ10 с дефектами до и после напыления (табл. 2). В процессе напыления варьировали расход порошка 15, 25 и 40 г/мин в соответствии с режимами установки 3, 4 и 5. Температура воздушного потока составила 75 и 100 °С.

Таблица 2

Механические свойства (минимальные значения) образцов из сплавов МЛ5пч и МЛ10

Сплав	Образец	Порошковый материал	Расход порошка, г/мин	Температура воздушного потока, °С	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
МЛ5пч	С дефектом	А-80	15	75	65	55	1,8	0,30
				100	90	50	0,8	0,46
			25	75	190	80	5,2	0,97
				100	195	90	5,5	1,00
			40	75	180	95	3,8	0,92
				100	195	95	5,2	1,00
		А-20	15	75	75	60	2,0	0,38
				100	90	50	0,7	0,46
			25	75	185	80	5,2	0,94
				100	195	95	5,2	1,00
			40	75	190	95	3,8	0,97
				100	195	90	5,2	1,00
	Без дефекта	–			195	95	5,3	–
	По ОСТ 1 90248–77				≥135	≥78	≥0,5
МЛ10	С дефектом	А-80	15	75	160	125	0,5	0,68
				100	165	120	0,4	0,70
			25	75	200	150	1,7	0,85
				100	210	155	1,6	0,89
			40	75	220	165	1,6	0,93
				100	225	160	1,7	0,95
		А-20	15	75	155	120	0,4	0,65
				100	165	120	0,6	0,70
			25	75	210	135	1,6	0,89
				100	200	170	1,8	0,85
			40	75	220	165	1,6	0,93
				100	235	170	1,7	1,00
	Без дефекта	–			235	170	1,6	–
	По ОСТ 1 90248–77				≥175	≥98	≥1,5
Примечание.  – соотношение предела прочности образцов после и до напыления.

По результатам анализа полученных данных установлено, что использование порошков А-80 и А-20 возможно при скорости подачи не менее 25 г/мин. При расходе 15 г/мин не обеспечивается плотное прилегание порошка в местах дефектов и происходит отслаивание. Большинство образцов разрушаются в местах дефектов. На рис. 4 представлены образцы с разрушением вне напыляемого слоя и в местах напыления с низкой скоростью подачи порошка.

Рис. 4. Разрыв образцов из магниевого сплава МЛ10 в зоне напыления (а) и вне зоны напыления (б)

Анализ микроструктуры показал, что на образцах из сплавов МЛ5пч и МЛ10 с напылением порошка со скоростью 25 и 40 г/мин на границе «порошок–основной металл» порошок плотно прилегает к основному металлу, местами диффундируя в верхний слой основного материала (рис. 5). При скорости напыления 15 г/мин порошок располагается исключительно на поверхности, не образуя прочного контакта, и отслаивается. При механических испытаниях образцы с порошками, напыленными со скоростью 15 г/мин, разрушились в местах напыления либо порошок отслаивался.

Рис. 5. Микроструктуры образцов из сплавов МЛ5пч (а–е) и МЛ10 (ж–м) с порошками марки А-20 (а–в, ж–и) и А-80 (г–е, к–м), нанесенными по режиму 3 (а, г, ж, к), 4 (б, д, з, л) и 5 (в, е, и, м)

Ввиду недостаточной скорости напыления 15 г/мин для определения адгезии выбраны образцы с порошками, нанесенными со скоростью напыления 25 и 45 г/мин.

На образцы из магниевых сплавов МЛ5пч и МЛ10 с устраненными дефектами наносили лакокрасочное покрытие (один слой грунтовки ЭП-076 и два слоя эмали ЭП-140). Адгезию покрытий определяли на 26 образцах с порошками А-20 и А-80. По результатам испытаний всех образцов адгезия составила 1 балл (рис. 6).

Рис. 6. Образцы из магниевых сплавов после испытаний на адгезию

Полученные результаты исследований позволили выбрать технологические параметры устранения литейных дефектов на отливках и образцах из магниевых сплавов на установке ДИМЕТ-405.

Фильтрация и сила тока индуктора

В качестве фильтров в серийном производстве для сплава системы Mg–РЗМ–Zr используют пенокерамические фильтры и стальные сетки. Для фильтрации магниевого сплава ВМЛ26 выбрана сетка из стали марки Ст.3 с диаметром отверстий 0,5–1 мм.

Для обеспечения требуемого содержания легирующих элементов, особенно трудно вводимых и плохо усвояемых, таких как цирконий и иттрий, равномерно распределенных во всем объеме, необходимо стабильное перемешивание расплава (индукционное перемешивание). Кроме того, следует избегать резкого снижения температуры жидкого металла при выплавке сплавов.

При выплавке в расплаве формируются две области рециркуляции вихревых токов. Процессом перемешивания можно управлять, изменяя частоту или силу тока индуктора. При высоком уровне тока происходит более интенсивное перемешивание, и металл становится однороднее. Однако при постоянном высоком токе стенки тигля изнашиваются быстрее. При низком значении силы тока продолжительность выплавки увеличивается в 2–3 раза. В тигле практически не происходит перемешивания ввиду слабого действия тока, что приводит к неоднородности химического состава в сплаве.

Для выплавки магниевого сплава ВМЛ26 на индукционной плавильной установке выбраны три режима нагрева при силе тока индуктора 50, 100 и 150 А. Указанные режимы нагрева выбраны с целью обеспечения стабильной работы индукционной печи, предотвращения перегрева металла и износа тигля при максимальном режиме работы индукционной плавильной установки.

Исследовано влияние силы тока индуктора на однородность химического состава и механические свойства (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение) сплава ВМЛ26 системы Mg–РЗМ–Zr. При выплавке по режиму с силой тока индуктора 50 А установлено несоответствие химического состава по цинку, цирконию, гадолинию и церию, при 100 А – недостаточное содержание циркония. Осаждение редкоземельных металлов (РЗМ) и циркония можно объяснить недостаточным влиянием индукционных токов на перемешивание расплава.

При выплавке сплава ВМЛ26 системы Mg–РЗМ–Zr при силе тока индуктора 50 А увеличивается продолжительность расплавления металла, что приводит к выгоранию легкоплавкого цинка, а также не обеспечивает растворения легирующих элементов.

Исследованы механические свойства отдельно отлитых образцов из магниевого сплава ВМЛ26, полученных по различным режимам нагрева с использованием в качестве фильтров стальной сетки и пенокерамического фильтра (табл. 3). Установлено, что режим при силе тока 150 А обеспечивает уровень механических свойств сплава ВМЛ26, соответствующий требованиям ТУ 1-595-24-1942–2021.

Таблица 3

Механические свойства отдельно отлитых образцов из сплава ВМЛ26

Исследована микроструктура образцов из магниевого сплава ВМЛ26 (рис. 7–12), выплавленных при различной силе тока индуктора с использованием в качестве фильтра стальной сетки.

Рис. 7. Микроструктуры образцов из сплава ВМЛ26 (светлопольные изображения), выплавленных при силе тока 50 (а, в) и 150 А (б, г)

Рис. 8. Примеры LPSO-фаз в объеме зерен α-Mg (HAADF-изображения) в образцах из сплава ВМЛ26, выплавленных при силе тока 50 (а, в) и 150 А (б)

Рис. 9. Эвтектика и интерметаллидные включения по границам зерен в образцах из сплава ВМЛ26, выплавленных при силе тока 50 (а, в) и 150 А (б, г)

Рис. 10. Микроструктуры образца из сплава ВМЛ26, выплавленного при силе тока 100 А:
а – два зерна α-Mg; б – зернограничные выделения интерметаллидной фазы

Рис. 11. Скопления цирконидов иттрия в образцах из сплава ВМЛ26, выплавленных при силе тока 50 (а) и 100 А (б)

Структура материала образцов представлена зернами твердого раствора α-Mg, в объеме которых равномерно распределены пластины γ'-фазы, содержащие РЗМ. Небольшая доля пластин γ'-фазы образует LPSO-фазы (long-period stacking order phases) шириной до 100 нм. Вдоль части межзеренных границ расположены частицы интерметаллидной β₁-фазы, содержащей РЗМ, а также области эвтектики, состоящей из твердого раствора магния и интерметаллидной фазы магния с Gd, Nd, Y и Zn.

Скопления гидридов иттрия YH₂ с мелкодисперсными частицами, содержащими цирконий (предположительно, гидриды циркония), обнаружены в объеме образцов, выплавленных при силе тока 50 и 100 А (рис. 12), но не выявлены в образце, полученном при силе тока 150 А.

На основании полученных результатов исследования установлено, что наличие в сплаве гидридов иттрия и циркония (рис. 11 и 12) при использовании силы тока индуктора 50 и 100 А – результат недостаточного перемешивания и выведения этих соединений на поверхность расплава. Более интенсивное перемешивание при силе тока индуктора 150 А обеспечило выведение гидридов из расплава на поверхность и их последующее удаление.

Рис. 12. Результаты дифракционного и элементного анализа гидридов иттрия YH₂: а – темнопольное изображение; б – дифракция в сходящемся пучке, проиндицированная в рефлексах YH₂, ось зоны [100]; в – результаты энергодисперсионной спектроскопии по линии. Присутствие магния – следствие перекрытия с матрицей

Исследована коррозионная стойкость образцов из магниевого сплава ВМЛ26, выплавленных по различным режимам нагрева (табл. 4). Показано повышение коррозионной стойкости по количеству выделившегося водорода при увеличении силы тока индуктора.

Таблица 4

Коррозионная стойкость сплава ВМЛ26 при выплавке

на плавильной установке с различной силой тока индуктора

Коррозионная стойкость сплава, выплавленного при силе тока индуктора 150 А, удовлетворяет данным паспорта № 2042 на пожаробезопасный высокопрочный литейный магниевый сплав марки ВМЛ26.

Заключения

По результатам исследований микроструктуры, механических свойств, адгезии и опробования разработанной технологии выбраны технологические режимы нанесения порошков на отливки из магниевых сплавов МЛ5пч и МЛ10 методом ХГН для устранения литейных дефектов и восстановления геометрических размеров.

Исследования микроструктуры, механических свойств, коррозионной стойкости магниевого сплава ВМЛ26 и полученные положительные результаты позволили выбрать режим выплавки на индукционной плавильной установке. Использование режима выплавки при силе тока индуктора 150 А обеспечивает необходимый уровень свойств сплава ВМЛ26 и предотвращает попадание в отливки гидридов иттрия и циркония, которые негативно влияют на механические свойства и коррозионную стойкость.