Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Закономерности формирования и особенности влияния тонкой структуры на свойства магниевого сплава нового поколения

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-55-63

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрен подход к созданию высокопрочных деформируемых магниевых сплавов для создания мелкозернистой структуры и благоприятного фазового состава. Рассмотрена возможность заметного улучшения характеристик магниевых сплавов путем введения в определенных соотношениях некоторых РЗЭ для формирования длиннопериодных фаз (LPSO phases). Изучены закономерности формирования и особенности влияния тонкой структуры на свойства магниевого сплава нового поколения марки ВМД16.

Для цитирования:


Волкова Е.Ф., Дуюнова В.А., Мостяев И.В., Акинина М.В. Закономерности формирования и особенности влияния тонкой структуры на свойства магниевого сплава нового поколения. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020;(1):55-63. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-55-63

For citation:


Volkova E.F., Duyunova V.A., Mostyaev I.V., Akinina M.V. Regularities of the formation and features of the influence of a fine structure on the properties of a new-generation magnesium alloy. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2020;(1):55-63. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-55-63

Основным достоинством магниевых спла­вов является малый удельный вес. Плотность серийных магниевых сплавов в среднем состав­ляет всего 65-70 % от плотности промышлен­ных алюминиевых сплавов. Магниевые сплавы обладают и другими преимуществами: высокой удельной жесткостью, хорошими демпфирую­щими, усталостными характеристиками, в ряде случаев - технологичностью. Весовое преиму­щество сохраняется и для сплавов на основе магния, являющихся самими легкими конструк­ционными материалами.

К недостаткам, ограничивающим воз­можности более широкого применения маг­ниевых сплавов в качестве конструкционных материалов, относятся:

  • невысокий уровень прочностных свойств при комнатной и при повышенной (до 200-300 °С) температурах;
  • недостаточная коррозионная стой­кость;
  • наличие анизотропии механических свойств в деформированных полуфабрикатах (для большинства высокопрочных деформи­руемых сплавов).

Известно, что с металловедческой точки зрения структура и фазовый состав сплава яв­ляются основным аргументом, в прямой зави­симости от которого находятся механические, технологические, коррозионные свойства, сва­риваемость, а также некоторые физические характеристики металлического материала. Создание мелкозернистой структуры и благо­приятного фазового состава - наиболее суще­ственные условия, служащие предпосылками для достижения высоких эксплуатационных характеристик конструкционных материалов. Фазовый состав и структура сплава, в свою очередь, формируются в зависимости от хи­мического состава и технологических факто­ров приготовления сплава. Последние годы все больший интерес вызывает возможность заметно улучшить характеристики магниевых сплавов и в значительной мере преодолеть их недостатки путем введения в определенных со­отношениях некоторых РЗЭ (редкоземельные элементы) в сочетании с известными легиру­ющими компонентами [1-7]. При соблюдении требуемых условий в структуре магниевого сплава формируются так называемые длинно­периодные фазы (long period stacking ordered phases - LPSO phases) [8-11].

В нашем институте разработаны и при­меняются в промышленности магниевые сплавы, содержащие РЗЭ. Наиболее перспек­тивным из них является новый сплав марки ВМД16 системы Mg-Zn-Zr-(РЗЭ), защищен­ный патентом РФ.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 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].

Целью настоящей работы явилось ис­следование закономерностей формирования и особенностей влияния тонкой структуры (в частности, LPSO-фаз) на свойства магни­евого сплава нового поколения марки ВМД16.

Слитки массой до 150 кг, 0 350 мм, изготовлены в опытно-промышленных усло­виях. После гомогенизации слитки отпрес­сованы в пруток 0 160 мм; из прутка изготов­лены мерные заготовки. Заготовки прокованы на гидравлическом прессе, и получены поков­ки размерами 40*190*310 мм и массой ~9 кг. Механические свойства определены по ГОСТ 1497 на приборе Instron; коррозионные свой­ства получены в соответствии с ГОСТ 9.913-90. Изучение структуры и фазового состава про­ведено на образцах1, вырезанных из сплава в литом, гомогенизированном, деформирован­ном и термообработанном состояниях. Иссле­дования проведены с применением оптичес­кого инвертированного микроскопа DM IRM фирмы Leica; растрового электронного мик­роскопа JSM6490-LV с приставкой INCA450 для микрорентгеноспектрального анализа (МРСА). Фотографии при изучении образцов на растровом микроскопе получены при ис­пользовании режима СОМРО, обеспечива­ющем формирование изображений обратно отраженными электронами. Применен так­же просвечивающий электронный микро­скоп Tecnai G2 F20 S-TWIN TMP фирмы FEI. Для локального химического анализа струк­турных составляющих использовалась энер­годисперсионная приставка X-max 80T фирмы Oxford.

При исследовании на оптическом мик­роскопе микроструктура сплавов, как легиро­ванных РЗЭ, так и без РЗЭ не имеет ярко вы­раженных отличий (рис. 1).

 

Рис. 1. Характерная микроструктура магниевых сплавов Mg-Zn-Zr-(РЗЭ): а, в, д - литое сост., б, г, е - дефор­мированные п/ф

 

Особенности тонкой структуры и наличие LPSO-фаз были выявлены в спла­ве ВМД16 при углубленном исследовании на электронном просвечивающем микро­скопе при больших увеличениях от *30 000 до *300 000.

В деформированном состоянии (поковка) структура сплава ВМД16 характеризуется мел­ким зерном (<10 мкм). Особенностью фазового состава сплава является присутствие крупных фрагментов эвтектической составляющей (15­25 мкм), располагающихся обычно на стыке нескольких зерен (рис. 2а).

Границы зерен декорированы цепочкой наночастиц интерметаллических фаз (рис. 1б). Другой особенностью сплава, не свойственной обычным магниевым сплавам, является на­личие субзеренной ячеистой структуры в де­формированном состоянии. Средний размер ячеек составляет 200-500 нм (рис. 2б).

 

Рис. 2. Микроструктура образца из поковки сплава ВМД16: а - без термической обработки; б - формирование ячеистой структуры

 

Обнаружить наличие субзеренной наноразмерной структуры в сплаве стало возмож­ным только при исследовании на электронном растровом микроскопе при увеличении >15 000.

При более полном исследовании на растровом микроскопе фрагментов эвтек­тической составляющей отчетливо видны две основные области в каждом фрагменте эвтек­тической составляющей.

Более темная область представляет собой твердый раствор на основе магния с повышенной концентрацией Zn и Y (рис. 3в, г). Слои светлой области - это твердый раствор на основе магния с высоким содержанием La, Nd.

 

Рис. 3. Результаты качественного МРСА фрагмента эвтектической составляющей в сплаве ВМД16 (слиток): а, б - светлая область; в, г - темная область. Маркер 20 мкм

 

Это подтверждается результатами качес­твенного микрорентгеноспектрального анали­за (МРСА) каждой из двух областей фрагмента эвтектической составляющей (рис. 3а-г).

Путем профилирования через нанораз- мерные частицы интерметаллических фаз в сплаве ВМД16 и проведения МРСА иденти­фицированы характерные для сплавов систе­мы Mg-Zn-Zr циркониды цинка (Zr3Zn2 и фаза Лавеса ZrZn2) (просвечивающая электронная микроскопия, рис. 4).

 

Рис. 4. МРСА образца из поковки - профилирование через частицы цирконидов цинка (просвечивающая элек­тронная микроскопия), *30 000. Маркер 50 нм

 

Наноразмерные частицы (50-70 мкм) цирконидов цинка располагаются, как показа­но выше (рис. 2а, б), по границам зерен.

Циркониды цинка могут встречаться и в объеме зерен. Кроме того, методом мик­рорентгеноспектрального фазового анализа (РФА) установлено наличие фазы Mg12Nd, об­разующей яркие наноразмерные интерметал­лические частицы четкой геометрической фор­мы, вкрапленные во фрагменты эвтектической составляющей.

Систематические исследования на про­свечивающем микроскопе тонкой структуры сплава во всех технологических состояниях позволили установить наличие самоорганизу­ющихся LPSO-фаз.

Эти фазы выделяются в форме па­раллельных друг другу наноразмерных пластин (толщиной от 1,5 до 25-30 нм), пронизывающих объем каждого зер­на (рис. 5а-д). Наноразмерные пластины LPSO-фаз параллельны плоскости базиса (0001) в кристаллической ГПУ-решетке α-твердого раствора.

Результаты исследования тонкой струк­туры в литом, гомогенизированном, дефор­мированном и термообработанном состояни­ях доказали, что LPSO-фазы присутствуют в сплаве в любом состоянии (рис. 5а-д).

 

Рис. 5. Пластины LPSO-фазы в образцах сплава ВМД16: а - литое (твердый раствор); б - гомогенизированное (твердый раствор); в - часть эвтектической составляющей; г - деформированное (твердый раствор); д - дефор­мированное + т/о. Маркер - 50 нм для а, б, д. Маркер - 20 нм для г. Маркер - 500 нм для в

 

Формируется своего рода «сеть» из плас­тин LPSO-фаз, что должно дополнитель­но упрочнять микрообъем каждого зерна. При этом каждая пластина представляет со­бой как бы пакет, состоящий из определенно­го количества тонких слоев твердого раствора на основе магния, обогащенных легирующи­ми элементами - иттрием и цинком. Такое же строение свойственно и эвтектической состав­ляющей, содержащей, как ранее установлено, области разной концентрации твердого раство­ра (рис. 5в). Рентгеноспектральное профили­рование в поперечном направлении пластин LPSO-фаз позволило выявить характер рас­пределения элементов в периодических слоях пластин. На степень обогащения цинком и ит­трием влияют режимы как деформации, так и термообработки, что сказывается на толщине пластины LPSO-фазы.

После деформации наблюдается изме­нение толщины LPSO-пластин, как правило, за счет уменьшения количества слоев. Уста­новлено, что количество периодических слоев в LPSO-пластине существенно сокращается с 6-12 в литом и гомогенизированном состоя­ниях до 2-4 слоев в структуре сплава после де­формации и термической обработки (рис. 5г, д). Подобные изменения общего количества и со­держания элементов в слоях в LPSO-пластинах, скорее всего, можно объяснить диффузионны­ми процессами и перераспределением атомов Zn и Y в них под воздействием температуры и усилий деформации. Возможно частичное или полное растворение LPSO-пластин в про­цессе горячей деформации и их повторного выделения при охлаждении деформированно­го полуфабриката. Так как после деформации условия охлаждения и сама структура иные, чем после литья, то и формирование пластин LPSO-фаз имеет несколько иной характер. Рент­геноспектральное профилирование в попереч­ном направлении пластин позволяет более по­дробно выявить особенности распределения элементов в пластинах LPSO-фаз. Для литого состояния сплава содержание в LPSO-фазах цинка и иттрия составляет 10 и 7 % (атомн.) соответственно, а для гомогенизированного по оптимальному режиму состояния - 5-6 % (атомн.) цинка и ~ 4 % (атомн.) иттрия [8]. Пос­ле деформации содержание элементов (цинка и иттрия) в периодических слоях LPSO-пластин примерно такое же, как после оптимального ре­жима гомогенизации.

Таким образом, в зависимости от техно­логических условий (температуры, длитель­ности выдержки, усилий деформации и т. п.) в сплаве имеет место процесс перераспре­деления атомов упрочняющих легирующих элементов иттрия и цинка непосредственно между периодическими слоями в пластинах LPSO-фаз и самим α-твердым раствором. По­мимо частичного диспергирования структур­ных компонентов сплава при пластической деформации происходит миграция атомов ит­трия и цинка из периодических слоев пластин LPSO-фаз в основной α-твердый раствор.

При определенных условиях возможно перемещение атомов в обратном направле­нии: из α-твердого раствора в периодические слои пластин LPSO-фаз. Оптимальный ре­жим деформации и последующая термиче­ская обработка способствуют формированию периодических слоев в пластинах LPSO-фаз с содержанием иттрия в количестве 3,2-4,3 % (атомн.), а цинка 3,8-4,2 % (атомн.).

При этом отмечается повышение уров­ня механических свойств сплава. Следователь­но, изменения соотношения элементов иттрия и цинка в периодических слоях LPSO-фаз, происходящие на наноуровне под влиянием технологических параметров, наряду с други­ми факторами в итоге могут оказывать влияние на макроуровне, способствуя повышению харак­теристик сплава. Стабильность фазового состава сплава ВМД16 (вплоть до 500-520 °С), установ­ленная по результатам проведенного дифферен­циального термического анализа (ДТА), служит одной из причин высоких значений прочностных свойств при повышенных температурах (табл.).

 

Таблица

Сравнительные механические свойства деформируемых магниевых сплавов (поковки)

Наименование характеристики

Уровень свойств магниевых сплавов (минимальные значения)

Квоты превосходства сплава ВМД16 по отношению к сплавам-аналогам, %

ВМД16

(Tl)

высокопрочные

жаропроч­ный

МА14

(Т1)

(Россия)

ZK60A (Т1) (США, ЕС)

МА12

(Т6)

(Россия)

МА14

(Т1)

ZK60A (Т1) (США, ЕС)

МА12

(Т6)

σв, МПа

330

295

305

274

12

8

20

σ0,2, МПа

250

230

235

147

9

6,5

80

σc0,2, МПа

270

150

155

127

80

74

в 1,12 раза

δ, % при to=10d0

9,5

6

7

8

58

35

18

Канизотропии, %

10

35

25

-

в 3,5 раза

в 2,5 раза

-

σ0,2200, МПа на базе 100 ч

107

14,7 (при 125 °С; 100 ч)

-

69

-

-

55

Коррозионная стой­кость, г/м2 в сутки (по потере массы)

16,45

35

-

25

в 2,1 раза

-

в 1,5 раза

По данным исследователей, коэффи­циент линейного термического расширения LPSO-фаз значительно меньше, чем у основ­ного α-твердого раствора. Таким образом, LPSO-фазы в отличие от основного α-твердого раствора обладают более высокой термоста­бильностью [6, 7].

В таблице сравнительных свойств по­ковок из сплава ВМД16 и сплавов-аналогов наглядно представлены преимущества нового сплава по всем изученным параметрам: проч­ностным, коррозионным свойствам, малой анизотропии механических свойств дефор­мированных полуфабрикатов, повышенному уровню прочности при высоких температурах испытания.

Обращает на себя внимание тот факт, что только в фазовом составе сплава ВМД16 установлено присутствие LPSO-фаз.

Преимущества разработанного сплава ВМД16 позволяют рекомендовать его в ка­честве материала для нагруженных деталей внутреннего набора планера, деталей системы управления (кронштейны, качалки, рычаги), для корпусных деталей, деталей в составе сис­темы внешней подвески (подкос), в изделиях авиационной и ракетно-космической отрасли.

Заключение

Результаты проведенного исследования влия­ния закономерностей формирования и особен­ностей тонкой структуры (в частности, LPSO- фаз) на свойства деформируемого магниевого сплава нового поколения марки ВМД16 позво­ляют констатировать, что значимая роль в по­вышении свойств магниевого деформируемого сплава ВМД16 принадлежит самоорганизу­ющимся термостабильным наноразмерным LPSO-фазам.

LPSO-фазы присутствуют в объеме прак­тически всех зерен сплава, могут формировать­ся в виде блоков в многослойных фрагментах эвтектической составляющей, представляя со­бой дополнительные наноразмерные упрочня­ющие элементы, хаотически ориентированные в материале. Эти структурные элементы пре­пятствуют движению дислокаций и замедляют разнонаправленные диффузионные процессы в сплаве, что также служит одной из причин снижения анизотропии механических харак­теристик и улучшения коррозионных свойств сплава ВМД16.

Список литературы

1. 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. С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33

2. Каблов Е. Н., Оспенникова О. Г., Вершков А. К. Редкие металлы и редкоземельные элементы – материалы современных и высоких технологий будущего // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. № 2. Ст. 01.

3. Каблов Е. Н., Волкова Е. Ф., Филонова Е. В. Исследование влияния РЗЭ на фазовый состав и свойства нового жаропрочного магниевого сплава системы Mg-Zn-Zr–РЗЭ // Металловедение и термическая обработка металлов. 2017. № 7. С. 19–26.

4. Мостяев И. В. РЗЭ – фактор качественного повышения свойств магниевых сплавов (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. № 7. Ст. 02. DOI: 10.18577/2307- 6046-205-0-7-2-2

5. Волкова Е. Ф., Мостяев И. В., Акинина М. В. Пути повышения основных механических характеристик магниевых деформируемых сплавов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2017. № 10. Ст. 05. DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-10-2-2

6. Волкова Е. Ф., Мостяев И. В., Акинина М. В. Сравнительный анализ анизотропии механических свойств и микроструктуры деформированных полуфабрикатов из высокопрочных магниевых сплавов с РЗЭ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2018. № 5. Ст. 04. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-5-24-33

7. Трофимов Н. В., Леонов А. А., Дуюнова В. А., Уридия З. П. Литейные магниевые сплавы (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. научно-технический журн. 2016. № 12. Ст. 01. DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-12-1-1

8. Kablov E. N., Volkova E. F., Filonova E. V. Effect of REE on the Phase Composition and Properties of a New Refractory Magnesium Alloy of the Mg–Zn–Zr–REE system // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 59. P. 415–421.

9. Kawamura Y., Yamasaki M. Formation and Mechanical Properties of Mg97Zn1RE2 Alloys with Long-Period Stacking Ordered Structure // Materials Transactions. 2007. Vol. 48. No. 11. P. 2986–2992.

10. Yoshimoto S., Yamasaki M., Kawamura Y. Microstructure and Mechanical Properties of Extruded Mg-Zn-Y Alloys with 14H Long Period Ordered Structure // Materials Transactions. 2006. Vol. 47. P. 959–965.

11. Noda M., Matsumoto R., Kawamura Y. Forging Induces Changes in the Formability and Microstructure of Extruded Mg96Zn2Y2 Alloy with a Long-Period Stacking Order Phase // Materials Science and Engineering: A. 2013. Vol. 563. P.21–27.


Об авторах

Е. Ф. Волкова
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ»)

Волкова Екатерина Федоровна – д-р техн. наук, начальник сектора 

Область научных интересов: конструкционные материалы на основе легких сплавов, металловедение магниевых сплавов.



В. А. Дуюнова
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ»)

Дуюнова Виктория Александровна – канд. техн. наук, доц., начальник НИО 

Область научных интересов: конструкционные материалы на основе легких сплавов, металловедение магниевых сплавов.



И. В. Мостяев
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ»)

Мостяев Игорь Владимирович – инженер 1-й категории 

Область научных интересов: конструкционные материалы на основе легких сплавов, металловедение магниевых сплавов.



М. В. Акинина
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ»)

Акинина Мария Владимировна – инженер 

Область научных интересов: конструкционные материалы на основе легких сплавов, металловедение магниевых сплавов.



Для цитирования:


Волкова Е.Ф., Дуюнова В.А., Мостяев И.В., Акинина М.В. Закономерности формирования и особенности влияния тонкой структуры на свойства магниевого сплава нового поколения. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020;(1):55-63. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-55-63

For citation:


Volkova E.F., Duyunova V.A., Mostyaev I.V., Akinina M.V. Regularities of the formation and features of the influence of a fine structure on the properties of a new-generation magnesium alloy. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2020;(1):55-63. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-55-63

Просмотров: 99


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)