Перейти к:
Закономерности влияния различных редкоземельных металлов в магниевых сплавах на их прочностные свойства
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-38-44
Аннотация
По результатам опубликованных исследований указываются основные закономерности по влиянию на свойства магниевых сплавов как легких конструкционных материалов различных редкоземельных металлов. Отмечается, что свойства магниевых сплавов с редкоземельными металлами в значительной степени определяются растворимостью их в твердом магнии, которая последовательно изменяется с увеличением атомного номера этих элементов и склонности к упрочнению при распаде магниевого твердого раствора. Сообщается о возможности улучшения свойств магниевых сплавов при легировании различными редкоземельными металлами в определенном их соотношении и приводятся примеры новых сплавов подобного типа.
Ключевые слова
Для цитирования:
Рохлин Л.Л. Закономерности влияния различных редкоземельных металлов в магниевых сплавах на их прочностные свойства. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020;(3):38-44. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-38-44
For citation:
Rokhlin L.L. Effect of various rare-earth metals in magnesium alloys on their strength properties. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2020;(3):38-44. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-38-44
Проведенные в последние годы исследования показали, что легирование магниевых сплавов с использованием редкоземельных металлов (РЗМ) позволяет существенно повысить их прочностные свойства. При этом влияние на магний РЗМ различно [1][2][3]. Редкоземельные металлы располагаются в IIIB группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Отметим, что 15 металлов из них с атомными номерами от 57 до 71 находятся в одной ячейке системы, составляя так называемый ряд лантана. РЗМ по ряду свойств делятся на две группы: цериевую с атомными номерами от 57 (лантан) до 63 (европий) и иттриевую с атомными номерами от 64 (гадолиний) до 71 (лютеций). Иттриевая группа включает в себя также скандий (№ 21) и иттрий (№ 39).
Эффективное упрочнение магния при легировании его РЗМ в основном определяется их растворимостью в твердом магнии, которая уменьшается с понижением температуры. В результате этого путем применения термической обработки, включающей в себя нагрев до высокой температуры с последующей закалкой, получают пересыщенный твердый раствор на основе магния, который затем распадается при старении (низкотемпературном отжиге), значительно повышая прочностные характеристики сплава. Чем выше концентрация пересыщенного твердого раствора, тем выше, хотя и до определенных пределов, происходит упрочнение сплава за счет его распада. Различное влияние отдельных РЗМ на прочность магниевых сплавов обусловлено различной растворимостью их в твердом магнии, причем в широких пределах.
На рисунке 1 приведены типичные части диаграмм состояния бинарных сплавов магния с РЗМ в областях, примыкающих к магнию, на которых видно изменение растворимости РЗМ в твердом магнии с температурой и различие в растворимости РЗМ в двух системах бинарных магниевых сплавов, с неодимом и гадолинием.
Рис. 1. Диаграммы состояния бинарных сплавов систем Mg-Nd и Mg-Gd со стороны магния [4]: а - Mg-Nd, б - Mg-Gd
На рисунке 2 показано изменение растворимости РЗМ в твердом магнии в зависимости от их атомного номера. Показаны максимальные значения растворимости и растворимости при различных температурах. В пределах ряда лантана с атомными номерами от 57 до 71 значения растворимости последовательно увеличиваются с двумя исключениями для европия и иттербия с аномально низкими значениями растворимости по сравнению с их соседями. При переходе от РЗМ цериевой группы к металлам иттриевой группы растворимость их в твердом магнии возрастает особенно резко. Значения растворимости иттрия в твердом магнии являются промежуточными между растворимостями в нем РЗМ каждой из групп для всех температур.

Различное влияние отдельных РЗМ на магний проявляется также в кинетике распада пересыщенного магниевого твердого раствора при старении и сопровождающего распад упрочнения сплавов. Об этом свидетельствуют представленные на рисунке 3 результаты измерения твердости бинарных сплавов с различными РЗМ с увеличением времени изотермического старения. Содержание РЗМ было близким к максимальной растворимости их в твердом магнии. Кривые изменения твердости в связи с большой разницей в значениях представлены раздельно для иттриевой группы (а) и цериевой группы (б).

Из представленных данных видно, что эффект упрочнения при старении сплавов магния с металлами иттриевой группы значительно больше, чем эффект упрочнения при старении сплавов магния с металлами цериевой группы. Это можно объяснить большей растворимостью в твердом магнии металлов иттриевой группы, по сравнению с металлами цериевой группы. Среди сплавов с РЗМ цериевой группы максимум упрочнения при старении последовательно возрастает с увеличением атомного номера металла и несколько смещается в сторону увеличения продолжительности старения. При этом заметное упрочнение наблюдается уже при небольших выдержках.
Изменение твердости сплавов магния с РЗМ иттриевой группы с увеличением времени старения имеет другой характер, но одинаковый для всех металлов. Вначале наблюдается инкубационный период упрочнения с незначительным повышением твердости, и только затем следует резкое возрастание твердости и достижение ее максимума. С увеличением атомного номера РЗМ ряда лантана распад магниевого твердого раствора замедляется и максимум твердости смещается в сторону больших выдержек при старении. При этом при наибольшей выдержке 400 ч в случае сплава магния с эрбием он полностью не достигается, а в сплаве с туллием он не наблюдается вообще.
Максимальное упрочнение при старении с увеличением атомного номера РЗМ иттриевой группы ряда лантана имеет тенденцию к снижению. Поведение при старении сплава магния с иттрием близко к поведению сплава с гольмием. Сравнение по упрочнению при старении сплавов магния с различными РЗМ показывает, что в случае иттриевой группы достигается наибольшее упрочнение, но при этом требуется большее время старения. Это отчетливо видно при сравнении крайних в группах сплавов систем Mg-Sm и Mg-Gd. Наибольшее упрочнение при старении достигается в сплавах магния с Gd, Tb, Dy и Y.
Эффект упрочнения, достигаемый при старении сплавов магния с РЗМ иттри- евой группы, зависит от температур старения, уменьшаясь с повышением температуры. Это можно видеть на рисунке 4 в случае сплава магния с диспрозием. В сплавах магния с РЗМ цериевой группы зависимость упрочнения при старении от температуры незначительна.

Таким образом, сплавы с РЗМ цериевой и иттриевой группы имеют преимущества и недостатки, если сравнивать их друг с другом по свойствам. В сплавах с металлами цериевой группы достигаются меньшие прочностные свойства, но для достижения максимального упрочнения у них требуется меньшее время старения. В сплавах же с металлами иттриевой группы может достигаться большее упрочнение, но после более длительных выдержках при старении и при большем содержании дорогих редкоземельных металлов. В ряде случаев оказывается целесообразным использовать для легирования магния совместно РЗМ обеих групп. Взаимодействие совместно двух РЗМ с магнием характеризует примыкающая к магнию часть изотермического сечения одной из диаграмм состояния сплавов подобного типа, представленная на рисунке 5.
Рис. 5. Изотермическое сечение диаграммы состояния Mg-Sm-Dy при 500 °С [6]
Представленная на рисунке 5 часть диаграммы состояния Mg-Sm-Dy показывает, что в равновесии с магниевым твердым раствором находятся только две фазы, являющиеся соединениями магния с каждым из редкоземельных металлов, в которых в значительном количестве растворен другой редкоземельный металл. При этом растворение в соединении одного из редкоземельных металлов в другом происходит путем замены атомов первого. Следует также отметить выпуклость границы области магниевого твердого раствора на диаграмме состояния, указывающую на то, что совместная растворимость обоих РЗМ в магниевом твердом растворе больше, чем сумма растворимостей каждого из них при тех же соотношениях.
Опыт проведения исследований сплавов магния с РЗМ показывает, что во многих случаях целесообразно использовать некоторые из них совместно с тем, чтобы получить наилучшие свойства, и также с экономической точки зрения. При этом могут в составе сплава присутствовать как РЗМ различных групп, так и одной и той же группы.
В Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ РАН) совместно с ВИАМ и ВИЛС был разработан деформируемый магниевый сплав марки ИМВ7-1 с двумя редкоземельными металлами: иттрием и гадолинием, отличающийся высокими прочностными свойствами при близких к комнатной и повышенных температурах. Характерные свойства этого сплава с составом Mg-4,7%Y-4,6%Gd-0,3%Zr представлены в таблице 1. Как можно видеть, наиболее высокие прочностные свойства этого сплава при комнатной температуре достигаются после старения 200 °С, 64 ч. непосредственно после горячего прессования с пределом прочности 435 МПа и относительным удлинением 4,9 %. При температуре испытаний 250 °С на этом сплаве получили значения предела прочности 336 МПа при относительном удлинении 16 % [7].
Таблица 1
Механические свойства горячепрессованной плиты сплава ИМВ7-1 при комнатной температуре.
Продольное направление [7]
Состояние |
Предел прочности, МПа |
Предел текучести, МПа |
Удлинение, % |
---|---|---|---|
Горячее прессование |
332 |
231 |
21,4 |
Старение, 225 °С, 24 ч |
377 |
287 |
4,9 |
Старение, 200 °С, 24 ч |
399 |
316 |
6,4 |
Старение, 200 °С, 64 ч |
435 |
388 |
4,9 |
В таблице 2 приведены типичные свойства литых сплавов системы Mg-Y-Gd-Zr при содержании легирующих элементов, близком к их содержанию в деформируемом сплаве ИМВ7-1. Как и в случае деформируемого сплава ИМВ-7-1, наиболее высокие прочностные свойства литых сплавов системы Mg-Y- Gd-Zr были достигнуты после упрочняющего старения. Именно эти значения прочностных свойств литых сплавов приведены в таблице 2. Можно видеть, что прочностные свойства литых сплавов существенно ниже, чем у деформированного магниевого сплава ИМВ7-1. Однако по сравнению с литейными магниевыми сплавами без редкоземельных металлов, такими как широко применяемые при близких к комнатной температуре стандартные сплавы МЛ5 и МЛ12, они близки по пределу прочности и превосходят по пределу текучести. При температуре 250 °С сплав с иттрием и гадолинием превосходит стандартный жаропрочный магниевый сплав МЛ10 с неодимом по пределу прочности и близок по пределу текучести. Для указанных стандартных литейных магниевых сплавов в состаренном состоянии приводятся следующие значения прочностных свойств при испытаниях на растяжение при комнатной температуре: для МЛ5 σβ - 255 МПа, σ02 - 120 МПа и для МЛ12 σβ - 250 МПа, σ02 - 150 МПа, а при 250 °С для сплава МЛ10 σβ - 165 МПа, σ02 - 130 МПа [8].
Таблица 2
Механические свойства литых сплавов системы Mg-Y-Gd-Zr
Состав сплава, % |
Состояние |
Температура испытаний, °С |
σΕ, МПа |
σ02, МПа |
δ, % |
---|---|---|---|---|---|
Mg-3,0Y-4,6Gd-0,35Zr |
Гомогениз. 515 °С, 6 ч |
20 |
217 |
135 |
21,1 |
Mg-3,2Y-4,6Gd-0,27Zr |
Гомогениз. 515 °С, 6 ч, старение 200 °С, 32 ч. |
20 |
247 |
164 |
10,2 |
Mg-3,0Y-5,2Gd-0,35Zr |
Гомогениз. 515 °С, 6 ч, старение 200 оС, 24 ч |
250 |
193 |
136 |
27,2 |
Сплавы системы Mg-Y-Gd-Zr показывают высокие прочностные свойства только в состаренном состоянии. При этом режим старения, обеспечивающий наиболее высокие прочностные свойства, предусматривает довольно продолжительное время старения при относительно низкой температуре - 200 °С. Повышение температуры старения выше 200 °С с целью ускорить распад магниевого твердого раствора ускоряет его. Однако при этом максимальное упрочнение снижается. Это является особенностью сплавов магния с РЗМ иттриевой группы, к которой принадлежат как иттрий, так и гадолиний.
В ИМЕТ РАН были проведены исследования, которые показали, что распад магниевого твердого раствора в сплавах системы Mg-Y-Gd-Z типа сплава ИМВ7-1 можно ускорить, используя дополнительное легирование одним из металлов цериевой группы - самарием. Один из результатов таких исследований представлен на рисунке 6, где приведены кривые изменения твердости при изотермическом старении литых сплавов системы Mg- Y-Gd-Zr типа ИМВ7-1 как без добавки, так и с добавкой самария. Представленные кривые изменения твердости показывают, что добавка самария ускоряет упрочнение за счет распада магниевого твердого раствора и при этом повышается также максимальная твердость, достигаемая в состаренном состоянии сплавов.
Заключение
- При легировании магния редкоземельными металлами (РЗМ) четко проявляются закономерности их влияния на прочностные свойства сплавов в зависимости от их положения в периодической системе Д.И. Менделеева.
- Растворимость РЗМ в твердом магнии последовательно увеличивается в широких пределах с увеличением их атомного номера, хотя и с некоторыми исключениями (в случае европия и иттербия).
- Увеличение растворимости РЗМ в твердом магнии способствует повышению прочностных свойств, но только в определенных пределах. Наиболее высокие прочностные свойства в двойных сплавах магния с РЗМ удалось получить в случае трех первых элементов иттри- евой группы ряда лантана: Gd, Tb, Dy, а также Y
- Сходство в превращениях при распаде пересыщенного твердого раствора в сплавах магния с РЗМ открывает возможность допускать их использование в определенных пределах совместно, обеспечивая тем самым снижение стоимости сплавов, а также улучшение тех или иных их свойств.
Список литературы
1. Yang Z., Li J. P., Zhang J. X., et al. Review on research and development of magnesium alloys // Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.). 2008. Vol. 21. No. 5. P. 313-328.
2. Mordike B. L., Ebert T. Magnesium Properties-applications-potential // Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 302. Р. 37-45.
3. Корнышева И. С., Волкова Е. Ф., Гончаренко Е. С. и др. Перспективы применения магниевых и литейных алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. С.212-222.
4. Rokhlin L. L. Magnesium Alloys Containing Rare Earth Metals. London and New York: Taylor and Francis, 2003. 245 p.
5. Рохлин Л. Л. Исследоване распада пересыщенного твердого раствора в сплавах магния с диспрозием // Физика металлов и металловедение. 1983. Т. 55. № 4. С. 733-738.
6. Lukyanova E. A., Rokhlin L. L., Dobatkina T. V, et al. Investigation of the Mg-rich part of the Mg-Dy-Sm phase diagram // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2016. No. 37. P. 664-671.
7. Рохлин Л. Л., Добаткина Т. В., Никитина Н. И. и др. Исследование свойств высокопрочного магниевого сплава системы Mg-Y-Gd-Zr // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 12. С. 15-18.
8. Конструкционные материалы. Справочник / Под ред. Б. Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. 688 с.
9. Лукьянова Е. А., Рохлин Л. Л., Добаткина Т. В. и др. Влияние самария на структуру и свойства сплава ИМВ7-1 системы Mg-Y-Gd-Zr //Металлы. 2018. № 1. C. 58-63.
Об авторе
Л. Л. РохлинРоссия
Рохлин Лазарь Леонович – доктор технических наук, главный научный сотрудник. Область научных интересов: металловедение магниевых сплавов.
Москва
Рецензия
Для цитирования:
Рохлин Л.Л. Закономерности влияния различных редкоземельных металлов в магниевых сплавах на их прочностные свойства. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020;(3):38-44. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-38-44
For citation:
Rokhlin L.L. Effect of various rare-earth metals in magnesium alloys on their strength properties. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2020;(3):38-44. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-38-44