Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Закономерности влияния различных редкоземельных металлов в магниевых сплавах на их прочностные свойства

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-38-44

Полный текст:

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.

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

  1. 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.
  2. 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).
  3. 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
  4. 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. Рохлин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова, Российская академия наук
Россия

Рохлин Лазарь Леонович – доктор технических наук, главный научный сотрудник. Область научных интересов: металловедение магниевых сплавов.

Москва



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

Просмотров: 112


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


ISSN 2542-0542 (Print)