автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование магниевых сплавов с редкоземельными металлами для создания новых легких конструкционных материалов

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВА Елена Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ЛЕГКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2014

I з ФЕВ 2014

005545079

005545079

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии и материаловедения имени A.A. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)

начальник сектора «Деформируемые магниевые сплавы»,

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский институт авиационных материалов» (ФГУП ВИАМ)

доктор технических наук, профессор, Бер Леонид Борисович

главный научный сотрудник,

Открытое акционерное общество

«Всероссийский институт легких сплавов»

(ОАО ВИЛС)

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского", г. Москва

Защита состоится « /3 » ииОр/т>о_ 2014 г. в /4 часов на заседании диссертационного совета Д 002.060.01 в ИМЕТ РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМЕТ РАН. Автореферат разослан «30» 2014 г.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, ИМЕТ РАН

Рохлин Лазарь Леонович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

Волкова Екатерина Фёдоровна

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие таких отраслей современной техники, как авиация, ракетостроение, космонавтика и автомобилестроение требует улучшения существующих и создания новых легких конструкционных материалов с высокой прочностью и жаропрочностью. Магниевые сплавы, характеризующиеся выгодным сочетанием плотности и механических свойств, находят широкое применение в этих областях техники. Повышение прочности магниевых сплавов и рабочих температур их использования позволяет снизить вес конструкций и улучшить технико-эксплуатационные характеристики летательных аппаратов и машин. Известно, что редкоземельные металлы (РЗМ) в качестве легирующих добавок позволяют значительно повысить прочность магниевых сплавов при комнатной и повышенных температурах, но только часть из них используется в настоящее время. Исследования двойных сплавов магния с РЗМ выявили среди них несколько новых эффективных упрочняющих легирующих добавок, таких как самарий, гадолиний, тербий и диспрозий. В последние годы наибольшее внимание уделяется сплавам с РЗМ системы Mg-У-Ос1-2г, и к числу сплавов таких систем относится высокопрочный и жаропрочный сплав ИМВ7-1 (Mg - основа, 5,0-6,5%'У, 3,5-5,5%Ос1 и 0,15-0,7%2г), на котором были достигнуты высокие прочностные свойства: при комнатной температуре - ов = 435 МПа, а0,2 = 338 МПа, 8 = 4,9%; при температуре 250°С - ств250°= 336 МПа, а0,2250°= 286 МПа, 5250°= 14,2%. Однако имелись основания считать, что возможности повышения прочностных свойств этого сплава еще далеко не исчерпаны, и поэтому целесообразным являлось рассмотрение путей улучшения сплава за счет применения к нему различных технологий и дополнительного легирования (самарием). Наряду с этим, целесообразно было также исследовать влияние на магний других РЗМ (самария и тербия), совместное действие которых на магний ранее не изучалось, но можно было предполагать, что их использование для легирования обеспечит создание на основе магния новых легких высокопрочных конструкционных материалов.

Целью работы являлось изыскание возможностей создания магниевых сплавов с РЗМ, обладающих более высокими прочностными свойствами при комнатной и повышенных температурах, путем усовершенствования технологии и состава сплава ИМВ7-1 и использования сплавов ранее не изученной системы М§-8ш-ТЬ.

' Далее, если специально не оговаривается, содержание элементов приводится в масс.%

3

Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные

задачи:

1) Установить влияние температуры нагрева (отжига) на структуру и свойства горячепрессованного магниевого сплава ИМВ7-1;

2) Исследование возможности упрочнения сплава ИМВ7-1 путем использования холодной пластической и интенсивной пластической деформации;

3) Изучение влияния легирования самарием на фазовый состав, поведение при термической обработке и свойства сплавов системы М§-У-Сс1-2г, предполагая возможность улучшения прочностных характеристик сплава ИМВ7-1;

4) Изучение фазовых равновесий, поведения при термической обработке и механических свойств в зависимости от состава и структуры в сплавах тройной системы М§-8ш-ТЬ.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1) Показано, что высокотемпературный отжиг приводит к незначительному разупрочнению сплава ИМВ7-1, после которого сплав сохраняет возможность упрочняться в процессе старения;

2) Установлена возможность дополнительного упрочнения сплава ИМВ7-1 системы Г^-У-йё-гг путем холодной пластической деформации и интенсивной пластической деформации;

3) Изучены фазовые равновесия в сплавах систем К^-У-вё-Згл и К^-Бт-ТЬ в области, богатой магнием, и построены фрагменты соответствующих диаграмм состояния;

4) Установлено положительное влияние самария на кинетику старения и свойства сплавов 1^-У-Ос1-гг, заключающееся в повышении прочностных свойств и сокращении времени упрочняющей термообработки;

5) Показано, что в сплавах Г^-Бт-ТЬ самарий сокращает время упрочняющей термообработки, а тербий способствует их наибольшему упрочнению, которое обусловлено выделением дисперсной пластинчатой орторомбической фазы в результате распада магниевого твердого раствора.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1) Определена температура допустимого нагрева сплава ИМВ7-1, выше которой наступает его резкое разупрочнение;

2) Установлены концентрации дополнительной легирующей добавки самария, способствующего повышению свойств сплавов на основе системы К^-У-вс! и сокращению времени упрочняющей термообработки;

3) Определены режимы термической обработки, обеспечивающие повышение прочностных характеристик сплавов систем Mg-Y-Gd-Sm и Mg-Sm-Tb.

4) Заложены основы для разработки новых сплавов на базе системы Mg-Sm-Tb, обладающих высокими механическими свойствами при комнатной и повышенных температурах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Особенности влияния высокотемпературного отжига, холодной пластической и интенсивной пластической деформаций, дополнительного легирования на свойства высокопрочного и жаропрочного деформируемого магниевого сплава ИМВ7-1 системы Mg-Y-Gd-Zr;

2) Установленные особенности строения диаграммы состояния сплавов системы Mg-Y-Gd-Sm в области, богатой магнием;

3) Установленные особенности строения диаграммы состояния сплавов системы Mg-Sm-Tb в области, богатой магнием;

6) Особенности кинетики распада пересыщенного твердого раствора на основе магния и сопровождающих его фазовых превращений в сплавах системы Mg-Sm-Tb.

7) Оценка механических свойств сплавов систем Mg-Y-Gd-Sm-Zr и Mg-Sm-Tb.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на конференциях: всероссийская конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» Москва, ИМЕТ РАН, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013; евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», Москва, НИТУ МИСиС, 2010, 2012; Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, НИТУ МИСиС, 2011; международный симпозиум «Металлургия и материалы», Шибеник, Хорватия, 2010, 2012; международная конференция по кристаллохимии интерметаллидных соединений, Львов, Украина, 2010, 2013; Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Волгоград, 2011; международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве», Краматорск, Украина, 2011, 2013; международная конференция HighMatTech, Киев, Украина, 2011; международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, ИМЕТ РАН, 2011, 2013; конференция «Современные магниевые и литейные алюминиевые сплавы», Москва, ФГУП ВИАМ, 2011, 2013; школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и нанокристаллические материалы», Уфа, 2012; международная молодежная конференция «Junior

Euromat», Швейцария, Лозанна, 2012, международная техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ'13), Санкт-Петербург, 2013; всероссийская конференция «НАНО 2013», Москва, ИМЕТ РАН, 2013.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 35 научных работах, 8 из которых - в списке отечественных рецензируемых журналов, рекомендуемых ВАК. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Объем диссертации составляет 155 страниц, включая 55 рисунков, 28 таблиц и список литературы из 149 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении отмечается актуальность работы, её направленность на создание новых легких конструкционных магниевых сплавов с лучшими прочностными характеристиками, чем применяемые в настоящее время. Сформулированы цель и задачи исследования.

1. Литературный обзор. В первой главе представлен анализ литературных данных, в котором рассмотрено влияние отдельных РЗМ на структуру и свойства магния, закономерности строения двойных и тройных диаграмм состояния магния с РЗМ, особенности распада пересыщенного магниевого твердого раствора, его кинетика, фазовые превращения и эффект упрочнения. Выявлены малоиспользуемые РЗМ, которые могли бы обеспечивать наибольшее упрочнение магниевых сплавов при комнатной и повышенной температурах. Показана перспективность легирования магния сочетанием нескольких РЗМ, особенно принадлежащих разным подгруппам (цериевой и иттриевой). Приведены сведения о промышленных, предложенных для использования, разрабатываемых и исследуемых в настоящее время магниевых сплавах, содержащих РЗМ, среди которых отмечается наиболее высокопрочный сплав ИМВ7-1 системы Mg-Y-Gd-Zr.

На основе анализа литературных данных показана актуальность и обосновывается направленность настоящей работы, заключающаяся в изыскании возможностей улучшения сплава ИМВ7-1 путем применения к нему различных технологий, дополнительного легирования (самарием), а также в исследовании ранее неизученной системы (Mg-Sm-Tb), на базе которой можно

было предполагать создание новых высокопрочных и жаропрочных магниевых сплавов.

2. Материалы и методы исследования сплавов. Во второй главе приводится чистота используемых материалов, описываются условия приготовления сплавов и методы их исследования.

В качестве шихтовых материалов использовался магний чистотой не менее 99,96%; РЗМ - Y, Gd, Sm, Tb, Nd с содержанием основного элемента не менее 99,82%, Zn, А1 - не менее 99,6%; промышленные лигатуры - Mg-15%Zr, Mg-9,6%Zr, Mg-2%Mn. РЗМ вводились в сплавы в виде предварительно приготовленных лигатур.

Сплавы и лигатуры выплавлялись в электрической печи сопротивления под слоем покровного флюса ВИ-2. Разливка расплава производилась в стальной кокиль или методом погружения изложницы с расплавом в воду.

Химический состав слитков всех сплавов принимался по химическому анализу, который осуществлялся методом атомно-эмиссионной спектроскопии с использованием индуктивно-связанной плазмы (Inductivity Coupled Plasma-Atomic Spectrometer) на приборе ULTIMA 2С, Jobin-Yvon Firm.

Обработка давлением сплавов осуществлялась путем горячего прессования (экструзии) со степенью деформации -93% при температуре 430±10°С, либо путем холодной прокатки со степенью деформации -9%. Кроме того использовалась интенсивная пластическая деформация кручением под гидростатическим давлением 6 ГПа с количеством оборотов N = 10.

Для построения изотермических сечений сплавы отжигались в печах с воздушной атмосферой при 500, 400, 300°С в течение 24, 50 и 100 ч соответственно. Для обработки сплавов на твердый раствор проводилась гомогенизация 510-520°С в течение 6-8 ч с последующей закалкой в воде комнатной температуры. Старение сплавов осуществлялось в сушильном шкафу при 175, 200, 225 и 250°С общей продолжительностью до 128 ч. Температура в печах и сушильном шкафу поддерживалась с точностью не более ±2°С.

Микроструктура сплавов методом оптической микроскопии изучалась на микроскопах Neophot 2, NU-2E (VEB Carl Zeis, Jena, Германия) и Me-F Reichert (Вена, Австрия) при увеличениях от 200 до 1000 раз. Растровая электронная микроскопия структуры сплавов проводилась на растровых электронных микроскопах: 1) LEO 430i со встроенной системой энергодисперсионного микроанализа ISIS 300; 2) LEO 1420, оснащенным системой энергодисперсионного микроанализа INCA Energy, в режиме вторичной

электронной эмиссии. Электронномикроскопические исследования на просвет на тонких фольгах проводились на электронном микроскопе JEM-2100. Съемка рентгенограмм осуществлялась на дифрактометре ДРОН-3.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) проводился на установке, собранной на базе двухкоординатного самопишущего потенциометра ПДС-021М.

Для определения границ фазовых областей и исследования процессов распада пересыщенного магниевого твердого раствора применялся метод измерения удельного электросопротивления.

Измерение микротвердости проводилось по методу Виккерса на микротвердомере 401/402-MVD фирмы Instron Wolpert Wilson Instruments при нагрузке 25 г. Твердость измерялась по методу Бринелля на приборе ТШ-2М с диметром вдавливаемого шарика 5 мм под нагрузкой 250 кг.

Характеристики механических свойств (ав, а0,2, 8) при комнатной и повышенной температуре 250°С определялись при испытаниях на универсальных испытательных машинах Instron 3382 и Instron 5800.

3. Исследование возможности улучшения свойств сплава ИМВ7-1 путем отжига и пластической деформации. В главе описываются результаты исследований, целью которых являлось более полное изучение особенностей сплава ИМВ7-1, поведения его при отжигах и воздействия пластической деформации, с тем, чтобы выявить возможность улучшения его механических свойств, применяя соответствующие обработки.

3.1. Поведение сплава ИМВ7-1 при отжиге. Испытания сплава ЙМВ7-1 показали высокие прочностные свойства в горячепрессованном состоянии с последующим упрочняющим старением. В этом состоянии структура его была рекристаллизованной не полностью, так что можно было предполагать, что проводя отжиг, обеспечивающий завершение рекристаллизации удастся повысить пластичность сплава, которая после старения до максимальной прочности была не высока. Кроме того, исследование влияния отжига на свойства горячепрессованного сплава ИМВ7-1 представляло интерес в связи с тем, что для практического использования важно изучить его поведение при нагреве, который может быть случайным при эксплуатации изделий из него или целесообразным при их изготовлении.

В работе была использована плита сплава ИМВ7-1 с поперечным сечением 200x40 мм2 и длиной -1,5 м, полученная путем горячего (430±10°С) прессования (экструзии) круглого слитка со степенью вытяжки около 13.

Согласно химическому анализу в сплаве содержалось 4,71%У, 4,58%Сё, 0,31%гг, основа -

При исследовании влияния отжига сплав ИМВ7-1 показал высокую термостабильность горячедеформированной структуры, что имеет немаловажное значение для его эксплуатационных характеристик. Было установлено, что в интервале температур 250-400°С кратковременный нагрев с выдержкой 1-2 ч приводит лишь к небольшому разупрочнению сплава (рис. I).

Рис. 1. Влияние температуры нагрева на При 200°С на твердость сплава ИМВ7-1,

твердость горячепрессованного сплава ИМВ7-1 после горячего прессования (1) и после (1 - продолжительность нагрева 1 ч, 2 - 2 ч) дополнительного отжига при 400°С, 1 ч (2)

После отжига при более высоких температурах 450 и 500°С наблюдается резкое снижение твердости. Некоторое повышение твердости, сопровождаемое при нагреве до 200°С, по-видимому, можно объяснить выделением дисперсной пластинчатой орторомбической фазы (3', обогащенной У и Оё, в результате распада пересыщенного магниевого твердого раствора.

Установлено, что в структуре сплава при температурах нагрева до 400°С процесс рекристаллизации не получает существенного развития. Дальнейшее увеличение температуры отжига приводит к полному исчезновению вытянутых деформированных зерен, имеющихся в сплаве в горячепрессованном состоянии, и значительному росту новых рекристаллизованных зерен, что обуславливает наблюдаемое резкое разупрочнение сплава.

В соответствии с проведенным исследованием кинетики старения при 200°С установлено, что после отжига при 400°С сплав ИМВ7-1 сохраняет способность значительного упрочнения за счет распада пересыщенного твердого раствора (рис.2).

В таблице 1 приведены механические свойства плиты сплава в продольном направлении после отжига и дополнительного старения до максимума твердости. Предел прочности сплава, подвергнутого отжигу, оказался несколько ниже, чем без отжига, со значительно меньшей пластичностью.

Таблица 1. Механические свойства сплава ИМВ7-1 в горячепрессованном состоянии и

после дополнительного отжига (продольное направление)

Обработка ав, МПа <т0 2, МПа 6,%

Горячее прессование 322 231 21,4

Горячее прессование + старение 200°С, 64 ч 435 338 4,9

Горячее прессование + отжиг 400°, 1 ч 314 229 14,8

Горячее прессование + отжиг 400°, 1 ч + + старение 200°, 64 ч 404 329 1,7

3.2. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства сплава ИМВ7-1. В горячепрессованном состоянии плита сплава ИМВ7-1 имела достаточно высокую пластичность с относительным удлинением 21,4%, что позволяло осуществить значительную для магниевых сплавов холодную деформацию.

Горячепрессованная плита сплава ИМВ7-1 подвергалась холодной прокатке вдоль направления прессования в несколько проходов с общей степенью обжатия 9%.

Структура горячепрессованной

плиты после дополнительного

подката на 9% (рис.3), как и

структура горячепрессованной

плиты без подката, состояла из

мелких рекристаллизованных зерен и

небольшого количества больших

деформированных зерен магниевого

твердого раствора, вытянутых вдоль

, .. „.,„, , направления деформации, однако

Рис.3. Микроструктура сплава ИМВ7-1 г

(продольное направление) после горячего внутри этих зерен можно было прессования и дополнительной холодной наблюдать признаки пластической прокатки на 9% деформации в виде двойников.

Кривые изменения твердости и удельного электросопротивления (рис.4) при старении при 200°С показали, что распад пересыщенного магниевого твердого раствора в горячепрессованном сплаве ИМВ7-1 после холодной

10

; ' ., 20 мкм й>- I-1

пластической деформации происходит быстрее, чем без дополнительной деформации. Об этом свидетельствует уменьшение времени старения, при котором начинает возрастать твердость и снижаться удельное электросопротивление. Твердость после холодной пластической деформации, при этом, имеет более высокие значения.

1200 г

1100

С 2

С 1000

о ч о.

ю Н

900

800

700

1 10 100 Время старения, ч

Исходное 1

состояние Время старения, ч

Рис. 4. Влияние продолжительности старения при температуре 200°С на твердость и удельное электросопротивление сплава ИМВ7-1 после горячего прессования (1) и после дополнительной холодной деформации (2)

При испытаниях на растяжение при комнатной температуре предел прочности после холодной прокатки и старения остался на уровне состаренного горячепрессованного сплава без холодной пластической деформации, предел текучести оказался несколько большим, а относительное удлинение снизилось до неприемлемого уровня (таблица 2).

Таблица 2. Механические свойства сплава ИМВ7-1 в горячепрессованном состоянии и после дополнительной холодной пластической деформации (продольное направление)

Обработка ав, МПа а0,2, МПа 5,%

Горячее прессование 322 231 21,4

Горячее прессование + старение 200°С, 64 ч 435 338 4,9

Горячее прессование + 9 % холодная прокатка 357 321 10,1

Горячее прессование + 9% холодная прокатка 414 360 2,4

+ старение 200°С, 16 ч

Горячее прессование + 9 % холодная прокатка 426 379 1,3

+ старение 200°С, 64 ч

3.3. Влияние интенсивной пластической деформации на свойства сплава ИМВ7-1. Ещё одним способом, позволяющим повысить уровень прочностных характеристик сплава ИМВ7-1, рассматривалась интенсивная пластическая деформация (ИПД). ИПД осуществлялась кручением под гидростатическим давлением (КГД) на плоских образцах диаметром 20 мм и толщиной ~1 мм, вырезанных из той же горячепрессованной плиты сплава ИМВ7-1. Перед кручением образцы подвергались гомогенизации при 510°С в течение 4 ч с охлаждением в воде.

Измерение микротвердости сплава при различных температурах нагрева показало, что кратковременный нагрев (1 ч) сплава ИМВ7-1, подвергнутого ИПД, при температурах до 250°С приводит к дополнительному упрочнению за счет распада пересыщенного твердого раствора на основе магния. При температурах 250 и 300°С упрочнение, созданное ИПД, снижается, однако остается на более высоком уровне, чем в сплаве, не подвергнутом ИПД (рис.5).

Сплав ИМВ7-1 после ИПД методом КГД способен упрочняться в процессе старения за счет распада пересыщенного твердого раствора на основе магния, при этом ИПД в некоторой степени ускоряет распад магниевого твердого раствора.

При КГД при 200°С в сплаве ИМВ7-1 было достигнуто наибольшее упрочнение (ав = 475 МПа, о0,2 = 450 МПа при 8 = 2,5%) (рис.6), которое превысило максимальные значения прочностных характеристик в сплаве, полученных на горячепрессованной плите после старения при 200°С, 64 ч (ав = 435 МПа, с,2 = 338 МПа, 8 = 4,9 %).

Температура нагрева, °С Рис. 5. Влияние температуры нагрева на Рис. 6. Диаграмма напряжение-деформация микротвердость сплава ИМВ7-1: 1- после испытаний на растяжение сплава ИМВ7-1 КГД при 200°С; 2 - без КГД после КГД при 200°С (1) и 300°С (2)

12

4. Исследование сплавов системы ¡У^-У-С(1-81п. В главе исследуется возможность создания новых сплавов на базе системы М§-У-Ос1-гг путем их дополнительного легирования давкой 8т.

4.1. Исследование фазовых равновесий в сплавах системы ]У^-У-Сс1-вш (построение фрагментов диаграммы состояния). Исследование влияния 8т на свойства сплава ИМВ7-1 на первом этапе работы базировалось на исследовании четверной диаграммы М£-У-Сс1-8ш. Рассматривалась область сплавов при постоянном равном содержании У и Ос1 до 5% каждого и содержании вгп от 0 до 8%.

На основании наблюдения микроструктуры, рентгеновского спектрального микроанализа и рентгенофазового анализа было установлено, что в твердом состоянии в равновесии с магниевым твердым раствором находятся соединения К^^п^ соответствующей двойной системы 1^-8т, и

]У^24(У,Ос))5, представляющее собой твердый раствор Ос1 в соединении ¡У^24У5 двойной системы [У^-У. Микроструктура сплава, на которой одновременно присутствуют

указанные фазы, представлена на рис.7. Кроме того, было показано, что существует значительная растворимость У и в фазе

Рис. 7. Микроструктура сплава \^-4,62%У- Р^вгщ (-14%) и Эш в фазе 5,63%йс1-5,77%8т после отжига 300°С, 100 ч Mg24(Y,Gd)5 (-17%).

При постоянном отношении У:Оё=1:1 в системе Mg-Y-Gd-Sm были определены границы области магниевого твердого раствора при температурах 500, 400 и 300°С. Установлено, что Бш, входя в магниевый твердый раствор, снижает совместную растворимость У и йй в твердом магнии, а область магниевого твердого раствора сужается с понижением температуры (рис.8), предопределяя возможность упрочнения сплавов при старении.

На рис.9 представлены политермические сечения диаграммы состояния Mg-Y-Gd-Sm: I - с увеличением содержания (У + Gd) от 5,5% до 8,5% при 0-8%8ш; II - с постоянным содержанием 5%У +5%Gd, которые были построены, используя результаты дифференциального термического анализа и измерения удельного электросопротивления. Согласно проведенным исследованиям в системе имеет место четырехфазное нонвариантное равновесие переходного

типа: L+Mg24(Y,Gd)5= (Mg)+Mg41Sm5- протекающее при 536°С.

13

Рис. 8. Частичные изотермические сечения системы К^-М^СУ.Офб-М^Зтз при температурах: а - 500°С, б -400°С

8 Бт, %

(М8) / уь-й-----

-/ (М8)+ '+М824(У,С <у / (М8)+М8м(¥,Ос1)5+ / +М84,ЗгП5 II -л. ..........!....... 1 .. .......•.........1 !

8 Вт. %

Рис. 9. Частичные политермические сечения I и II диаграммы состояния М§-У-С<1-8т

4.2. Исследование механических свойств сплавов системы ¡У^-У-вс!-вш-гг. Исследование кинетики старения горячепрессованных сплавов М^-У-Оё-вш-гг показало, что они упрочняются в процессе старения за счет распада пересыщенного твердого раствора. Предположительно упрочнение обусловлено выделением из магниевого твердого раствора дисперсных пластинок орторомбической (З'-фазы, богатой У и вс!. В процессе старения при температуре 200°С сплав Mg-2,21%Y-5,^i2%Gd-\,l%'&m-Qfi6%Zv, содержащий небольшое количество вш (1,7%), показал более высокие значения твердости, чем сплав Mg-3,19%Y-5,25%Gd-0,4%Zr с близким содержанием У и вё, соответствующим их содержанию в сплаве ИМВ7-1, но не содержащий вш

(рис. 10). Кроме того, полученные кривые показывают, что Эш ускоряет распад магниевого твердого раствора, так что при более кратковременном старении при 200°С в течение 24 ч уже достигается максимальное упрочнение. 1400 г

1200

1000

8001

600

М8-3,27%У-5,32%Оа-1,7%8т-0,66%2г

Мв~3,19%У-5,25%йё-0,4%2г

3,68%0<1-2,51 %8т-0,37%гг

30

25

20

15

10

Мв-3,27%У-5,32%С(1-1,7%8т-0.66%2г М$-3,19%У-

5,25%Ш-0,4%2г

М§-1,9%У-3,68%Ос1-2,51%5т-0,37%2г

Горячее прессование

1 10 100 Время старения, ч

1 10 100 >. Горячее

Время старения, ч прессование

Рис. 10. Влияние продолжительности старения при 200°С на твердость и удельное

электросопротивление горячепрессованных сплавов М§-У-Ос1-гг и 1\^-У-Ос1-8т-2г

Механические свойства горячепрессованных сплавов системы Mg-Y-Gd-вш-гг при комнатной температуре и 250°С приведены в таблицах 3, 4.

Таблица 3. Механические свойства при комнатной температуре горячепрессованных сплавов систем Мв-У-ва-гг и МЕ-У-Оа-Эт-гг

Сплав Обработка ав, МПа ао,2, МПа 5, %

М8-3,19%У-5,25%Оё -0,4%гг Мё-3,27%У-5,32%Сс1-1,1%^>т-0,66%Ъс Мв-1,9%У-3,68%Ос1-2,51 %8т-0,31%2х старение 200°С, 64 ч старение 200°С, 24 ч старение 200°С, 24 ч 328 280 1,8 380 333 1,4 356 272 6,1

Таблица 4. Механические свойства при 250°С горячепрессованных сплавов систем М§-У-С£)-2г и Mg-Y-Gd-Sm-Zr, состаренных при 200°С, 64 ч

Сплав 0В, МПа а0,2, МПа 8, %

Mg-ЗЛ9%Y-5,25%Gd-0,4%Zr Ме-3,27%У-5,32%Ос1-1,7%8т-0,66%2г Мб-1,9%У-3,68%Сс1-2,51 %8ш-0,37%2г ИМВ7-1 314 259 4,9 358 310 2,3 315 252 10,7 336 286 14,2

Результаты испытаний показали, что механические свойства сплава 3,19%У-5,25%Оё-0,4%гг без вт уступают механическим свойствам горячепрессованного сплава ИМВ7-1 близкого состава, полученного в заводских условиях, однако их можно сравнить со свойствами двух других сплавов, приготовленных в тех же условиях, и тем самым показать положительное влияние Бгп на свойства сплавов системы 1У^-У-Сё-гг.

Можно видеть, что присутствие вш способствует повышению прочностных свойств сплавов М£-У-Оё-2г даже при меньшем суммарном содержании У и Оё (таблица 3). При испытаниях на растяжение при 250°С (таблица 4) сплав М£-3,27%У-5,32%Оё-1,7%8т-0,66%2г показал более высокую жаропрочность, чем горячепрессованная плита сплава ИМВ7-1.

Таким образом, добавка Эт не только повышает прочностные характеристики сплава ИМВ7-1, но и может понизить стоимость сплавов М§-У-вё-гг частичным замещением более дорогостоящих У и Оё и сокращением времени старения.

5. Исследование сплавов системы М§-8т-ТЬ. В главе исследуется система М§-8т-ТЬ, которая рассматривалась как перспективная с точки зрения создания на её основе новых прочных и жаропрочных магниевых сплавов.

5.1. Исследование фазовых равновесий в сплавах системы ]У^-8т-ТЬ.

В области сплавов, богатой магнием, были исследованы фазовые равновесия, протекающие в тройной системе 1У^-8т-ТЬ, с построением тройной диаграммы состояния. Было установлено, что в равновесии с магниевым твердым раствором находятся только фазы М^4]8ш5 и 1у^24ТЬ5 соответствующих двойных систем ¡У^-Бт и 1у^-ТЬ. Локальный спектральный анализ сплавов, содержащих одновременно

магниевый твердый раствор и фазы М^4]Бш5 и К%4ТЬ5 (рис.11), позволил определить составы всех трех фаз, находящихся в равновесии. Средние значения содержаний вт и ТЬ в фазах, находящихся в равновесии

Рис. 11. Микроструктура сплава \lg-l1,4%8т-14,9%ТЬ после отжига 500°С, 24 ч, полученная в растровом электронном микроскопе в режиме вторичной электронной эмиссии.

при 500°С, рассчитанные по нескольким результатам локального спектрального анализа приведены в таблице 5. Они показывают значительную растворимость Бш в соединении М§24ТЬ5 (21,3%) и ТЬ в соединении М£4,5т5(14,3%).

Таблица 5. Химические составы фаз: магниевого твердого раствора (Л^), М^Зпь и

\^24ТЬ5, находящихся в равновесии при 500°С

Фаза Содержание компонентов, масс.% Содержание компонентов, ат.%

мё ТЬ мё вш ТЬ

(М8) 85,05 3,44 11,51 97,35 0,64 2,02

1^418т5 57,00 28,70 14,30 89,30 7,27 3,42

Мё24ТЬ5 52,10 21,30 26,60 87,40 5,78 6,83

При 500 и 300°С была исследована протяженность области магниевого твердого раствора, которая с понижением температуры сужается, указывая на возможность образования пересыщенного твердого раствора на основе магния и его распада в процессе старения (рис. 12).

Рис. 12. Частичные изотермические сечения системы \^-\^24ТЬ5-\^15т5 при температурах:

а - 500°С, б - 3 00°С

Построенные изотермические сечения показали, что при увеличении отношения содержаний Бт и ТЬ суммарная растворимость этих элементов в уменьшается.

Исследование поверхностей кристаллизации диаграммы состояния проводилось по трем политермическим сечениям: I - при постоянном содержании (-70%) (рис. 13,а); II - при постоянном содержании ТЬ (~24%); III - при отношении содержаний Бт : ТЬ = 1,7 : 1 (рис.13,б), которые были

построены используя результаты дифференциального термического, микроструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Было установлено, что в системе К<^-8т-ТЬ протекает нонвариантное четырехфазное равновесие переходного типа Ь+Р^24ТЬ5=(Р^)+Р^418т5 при 539°С. На рис. 13,в показан четырехугольник, соответствующий плоскости четырехфазного нонвариантного равновесия переходного типа (состав жидкой фазы, участвующей в четырехфазном равновесии, соответствует точке И).

(б)

600J-

L+(Mg)+ +Mg24Tb5

550

¿+(Mg)+ +Mg4iSm5

Mg 4 8 12 16 20 24 Sm,% 2,35 4,70 7.06 9,41 11,76 14,12 Tb,%

Tb, %

[ (Mg)+ +Mg41Sm5/(Mg)+ i /+М&4'П%' /+Mg,1Sm5

+Mg24Tb5

I

5001_1

Mg-30%Sm 5 10 15 20 25 Tb.%

eip:

1 Sm, %

Рис. 13. Политермические сечения I (а) и III (б) и проекция поверхностей кристаллизации (в) диаграммы состояния Mg-Sm-Tb

5.2. Исследование распада пересыщенного твердого раствора на основе магния в сплавах системы 1У^-8т-ТЬ. Исследование кинетики распада магниевого твердого раствора в системе К^-Бт-ТЬ проводилось на нескольких сплавах с различным соотношением Бш и ТЬ, но в пределах установленной их совместной растворимости в твердом магнии при температуре под закалку (рис.14). Результаты показали, что с увеличением содержания ТЬ эффект упрочнения возрастает, Бш несколько ускоряет распад магниевого твердого раствора, при этом кинетика старения тройных сплавов носит промежуточный характер между кинетиками распада в двойных магниевых сплавах Мя-Эт и Максимум твердости соответствует

температуре 200°С с выдержкой около 60 ч. С увеличением температуры старения твердость снижается, а её максимум смещается в сторону меньших выдержек.

(а) 1400

1200 -

юоо.

§

Мд-0,82%8т Д -18,6%ТЬ §

(6)1400

1200

а, 1000 £

800

Закалка

1 10 100 Время старения, ч

600'

400

Mg-25,4%Tb

-Мв-4,04%8т ✓ Ме-5,56%ТЬ

Закалка 1 10 100

Время старения, ч

Рис. 14. Изменение твердости сплавов с увеличением времени старения при: а - 200;

б-225°С

Электронномикроскопические исследования проводились на сплавах М§-3,05%8т-8,94%ТЬ и Mg-4,35%Sm-ll,5%Tb, близких по соотношению Бт и ТЬ к сплаву М£-2,96%8т-6,6%ТЬ, которые обрабатывались по режимам, соответствующим различным стадиям распада магниевого твердого раствора по данным кинетики старения.

В закаленном состоянии какие-либо признаки распада отсутствовали: никаких видимых выделений в структуре сплавов и сверхструктурных рефлексов, помимо рефлексов магниевого твердого раствора, на электронограммах не наблюдалось.

При старении 200°С, 2 ч, соответствующего стадии небольшого повышения твердости, на электронограммах можно было наблюдать вытянутые сверхструктурные рефлексы, являющиеся признаком образования упорядочения ближнего порядка по типу М§3Сс1 (рис.15,а). Образующаяся в результате упорядочения Р"-фаза является гексагональной с периодами ар-=2аМ8 и Ср=Сщ.

При старении 200°С, 8 ч, соответствующего началу второй стадии роста твердости, в теле зерна выявлялся матричный контраст, указывающий на развитие распада магниевого твердого раствора. Расшифровка сверхструктурных рефлексов на базисной плоскости в виде «косых крестов» (рис. 15,6) показала, что образуется орторомбическая Р'-фаза, ориентированная относительно матрицы тремя симметричными способами с параметрами решетки: ар'=8с/юом85 6р'=2аМа и ср=сМц-

При режиме старения 225°С, 32 ч, соответствующего максимуму твердости при этой температуре, распад магниевого твердого раствора происходит как по границам, так и в теле зерна, с образованием той же орторомбической фазы. Форма образовавшихся при распаде пересыщенного твердого раствора частиц указывала на то, что частицы являются пластинками (рис. 15,в), а размытость их границ свидетельствовала о когерентной связи их с матрицей магния. Согласно микродифракционной картине пластинки выделившихся частиц располагаются большими плоскостями по призматическим плоскостям (110) магниевого твердого раствора. В структуре сплавов наблюдались также четко очерченные пластинчатые частицы, располагающиеся тремя симметричными способами по призматическим плоскостям (100) кристаллической решетки магния. Анализ электронограмм показал, что частицы с четко очерченными границами имеют более сложную кристаллическую решетку, некогерентную с кристаллической решеткой матрицы.

На стадии разупрочнения сплавов по режиму 250°С, 64 ч в структуре по-прежнему наблюдалось совместное присутствие частиц с размытыми и четко очерченными границами (рис. 15,г), однако размеры и количество частиц с четко очерченными границами увеличились. Рентгеновское исследование показало, что выделившиеся частицы в основном принадлежат к равновесной фазе (Р) \^24ТЬ5 системы \1g-Tb, а Эш растворяется в продуктах распада.

Таким образом, в системе Мз-8т-ТЬ при распаде пересыщенного магниевого твердого раствора последовательно протекают процессы упорядочения по типу Г^3Сс1 (Р"), образования пластинчатых выделений

орторомбической фазы (|3') и пластинчатых выделений равновесной фазы ф) по призматическим плоскостям кристаллической решетки магниевого твердого раствора с симметрией третьего порядка. Такое расположение частиц, перпендикулярное базисным плоскостям кристаллической решетки, являющимися основными атомными плоскостями магния, по которым происходит скольжение при пластической деформации, должно в наибольшей степени способствовать упрочнению при распаде.

Рис. 15. Электронограммы (а, б) и электронные микрофотографии (в, г) сплавов: а- М^-4,35% 8т-11,5% ТЬ после старения 200°С, 2 ч; б - 1У^-4,35%8т-11,5% ТЬ после старения 200°С, 8 ч; в - М§-3,05%8т-8,94%ТЬ после старения 225°С, 32 ч; г - 1У^-4,35%8т-11,5%ТЬ после

старения 250°С, 64 ч

5.3. Исследование механических свойств сплавов системы. Испытания на механические свойства сплавов М£-8гп-ТЬ-7г показали, что они значительно упрочняются в процессе старения. В литом состоянии наилучшие механические свойства при комнатной температуре были достигнуты на сплаве 1У^-2,29%8т-

21

5,66%ТЬ-0,1%2г, который после закалки и упрочняющего старения по пределу прочности превзошел промышленные литейные магниевые сплавы МЛ5, МЛ 10, \VE43 и \VE54 при достаточном запасе пластичности. При повышенной температуре испытания 250°С в сплавах М£-8т-ТЬ-7г также могут достигаться более высокие, чем у известных магниевых сплавов, значения прочностных характеристик. Значения механических свойств сплавов Mg-Sm-Tb-Zr указаны в таблицах 6,7, промышленных сплавов МЛ5, МЛ10, \УЕ43, У/Е54 - в таблице 8.

Таблица 6. Механические свойства сплавов М§-5ш-ТЬ-2г при комнатной температуре

Сплав Обработка ств, МПа «Год, МПа 5,%

М£-2,29%8т-5,66%ТЬ-0,1 %гт Литое состояние, закалка 520°С, 8 ч + старение 200°С, 24 ч 303 188 5,6

Ме-3,57%8ш-7,93%ТЬ-0,87%гг Горячее прессование 267 196 15,8

Мв-3,57%8т-7,93%ТЬ-0,87%гг Горячее прессование + старение 200°С, 64 ч 342 269 7,2

Таблица 7. Механические свойства сплавов Mg-Sm-Tb-Zr при 250°С

Сплав Обработка ов, МПа Оо,2, МПа 8,%

М§-3,04%8т-7,2%ТЬ-0,23%гг Литое состояние, закалка 520°С, 8 ч + 287 197 3,4

М£-3,57%8т-7,93%ТЬ-0,87%гг Мв-1,93%8ш-16,33 %ТЬ-0,47%гг старение 200°С, 24 ч Горячее прессование + старение 200°С, 64 ч Горячее прессование + старение 200°С, 64 ч 299 406 240 319 10,5 7,0

Таблица 8. Механические свойства сплавов МЛ5, МЛ 10, WE43) WE54 после закалки и

старения по режиму Т6 при комнатной температуре и 250°С

Сплав Т °С 1 исп» ^ ов, МПа <т0,2, МПа 8,%

МЛ5 (Мв-А1-гп-Мп) • 20 255 120 4,0

МЛ 10 (Мв-Ш-2п-гг) 20 226 137 3,0

250 165 130 13,0

WE43(Mg-Y-Nd-Zr) 20 250 180 7,0

250 210 150 15,0

WE54(Mg-Y-Nd-Zr) 20 280 205 4,0

250 230 175 9,0

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследовано поведение сплава ИМВ7-1 системы N^-¥-0(1^ при кратковременном отжиге (1-2 ч) в диапазоне температур 250-500°С. Показано, что нагрев до 400°С не приводит к существенному росту рекристаллизованных зерен в структуре сплава ИМВ7-1 и сопровождается сравнительно небольшим его разупрочнением. После этого нагрева сплав ИМВ7-1 сохраняет способность упрочняться при старении. Достигаемые при этом прочностные свойства и пластичность оказываются более низкими, чем после старения без отжига.

2. Исследовано влияние холодной пластической деформации при прокатке на свойства горячепрессованного сплава ИМВ7-1. Установлено, что холодная пластическая деформация со степенью обжатия 9% с последующим старением (200°С, 64 ч) до максимальной твердости (НВ = 1190 МПа) приводит к повышению предела текучести (379 МПа) при значительном снижении пластичности (8 = 1,3%).

3. Исследовано влияние интенсивной пластической деформации методом кручения под гидростатическим давлением сплава ИМВ7-1 на его структуру и механические свойства при старении и отжигах. Показано, что интенсивная пластическая деформация обеспечивает в сплаве ИМВ7-1 более высокие прочностные свойства (ов = 475 МПа; <т0,2 = 450 МПа; 5 = 2,5%), чем на горячепрессованном материале с последующим старением.

4. Проведено исследование части четверной диаграммы состояния М£-У-Ос1-8т в области сплавов, богатых магнием, при постоянном соотношении У:0<1 = 1:1. Установлены фазовые равновесия, в системе М§-У-Сс1-8т и состав фаз, находящихся в равновесии с твердым магнием. Показано, что самарий снижает растворимость иттрия и гадолиния в твердом магнии, а область магниевого твердого раствора сужается с понижением температуры, предопределяя возможность упрочнения сплавов при старении.

5. Установлено, что введение самария в сплавы системы Mg-Y-Gd-Zr типа ИМВ7-1 изменяет их кинетику и эффект упрочнения при старении. Небольшая добавка самария -2% обеспечивает большее упрочнение сплавов при старении, которое достигается при меньших выдержках и способствует повышению прочности и жаропрочности сплавов системы Мд-У-Ос!-7г типа ИМВ7-1 в состаренном состоянии.

6. Исследована тройная диаграмма состояния Mg-Sm-Tb в области сплавов, богатой магнием. Выявлено, что область магниевого твердого раствора сужается с понижением температуры. При увеличении отношения

содержаний самария и тербия суммарная растворимость этих элементов в магнии уменьшается. В соединениях самария и тербия, находящихся в равновесии с твердым магнием, растворяется в значительном количестве другой редкоземельный металл.

7. Исследованы кинетика и структурные превращения при распаде пересыщенного твердого раствора в сплавах Mg-Sm-Tb. Установлено, что эти сплавы значительно упрочняются при старении с оптимальной температурой 200°С, при этом с увеличением содержания тербия распад пересыщенного магниевого твердого раствора в сплавах происходит медленнее, а эффект упрочнения возрастает. С помощью просвечивающей электронной микроскопии установлено, что при распаде в структуре сплавов Mg-Sm-Tb при Tb:Sm -2,5 происходит последовательное протекание процессов упорядочения по типу M^Cd, образования пластинчатых выделений орторомбической фазы, отвечающей за наибольшее упрочнение при распаде, и более крупных пластинчатых выделений равновесной фазы с другой ориентировкой.

8. Определены механические свойства литых и деформированных сплавов системы Mg-Sm-Tb-Zr при комнатной и повышенных температурах. Установлен высокий уровень прочностных свойств, достигаемый в этих сплавах. В литом состоянии сплавы Mg-Sm-Tb-Zr, содержащие около 8-10% (Sm+Tb), имеют более высокие характеристики прочности и жаропрочности, чем известные литейные магниевые сплавы МЛ5, MJI10 и WE43, WE54.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ Список публикаций в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК

1. Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Никитина Н.И., Лукьянова Е.А. Особенности физико-химического взаимодействия магния с отдельными редкоземельными металлами в тройных системах // Технология легких сплавов. -2009. -№ 3. -С. 21-27.

2. Рохлин ЛЛ„ Добаткина Т.В., Лукьянова Е.А., Королькова И.Г., Поликанова A.C. Исследование фазовых равновесий в богатых магнием сплавах системы Mg-Sm-Tb // Металлы. -2010. -№ 4. -С. 99-106.

3. Рохлин Л Л., Добаткина Т.В., Лукьянова Е.А., Королькова И.Г. Исследование поверхности ликвидус диаграммы состояния Mg-Sm-Tb // Металлы. -2011. -№ 3. -С. 99-105.

4. Рохлин JI.JL, Добаткина Т.В., Никитина Н.И., Тарытина И.Е., Лукьянова Е.А. Поведение при отжиге высокопрочного магниевого сплава ИМВ7-1 системы Mg-Y-Gd-Zr // Перспективные материалы. -2011. -№ 6. -С. 53-58.

5. Лукьянова Е.А., Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Королькова И.Г. Исследование растворимости самария в твердом растворе на основе магния, содержащем иттрий и гадолиний // Металлы. -2012. -№ 4. -С. 85-89.

6. Рохлин Л.Л., Лукьянова Е.А., Добаткина Т.В., Аладьев Н.А., Королькова И.Г. Фазовые равновесия в сплавах системы Mg-Y-Gd-Sm // Металлы. -2012.-№ 5.-С. 71-77.

7. Лукьянова Е.А., Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В, Табачкова Н.Ю. Исследование распада пересыщенного твердого раствора на основе магния в сплавах системы Mg-Sm-Tb // Физика металлов и металловедениее. -2013. -Т.114. -№7. -С. 658-669.

8. Рохлин Л.Л., Лукьянова Е.А., Добаткина Т.В, Королькова И.Г. Упрочнение магниевых сплавов системы Mg-Sm-Tb ультрадисперсными частицами, образовавшимися при распаде пересыщенного твердого раствора // Письма о материалах. -2013. -Т.З. -№ 2. -С. 64-67.

Список публикаций в журналах, сборниках статей и конференций

9. Лукьянова Е.А. Исследование структуры и свойств системы Mg-Sm-Tb // Сборник статей VI российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, 17-19 ноября. -2009. -С. 44-47

Ю.Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Лукьянова Е.А. Влияние холодной пластической деформации перед старением на механические свойства высокопрочного магниевого сплава ИМВ7-1 системы Mg-Y-Gd-Zr // Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлический материалов, Москва, НИТУ МИСиС, 26-28 сентября. -2011. -С. 32.

П.Лукьянова Е.А., Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Королькова И.Г. Диаграмма состояния сплавов Mg-Sm-Tb и их поведение при старении // Тезисы 3-ей Международной конференции HighMatTech, Киев, Украина, 3-7 октября. -2011. С. 79.

12.Rokhlin L.L., Dobatkina T.V., Lukyanova Е.А. New high-strength light alloys of the Mg-Y-Gd-Zr system // Сборник тезисов XIX Менделеевского съезда, 2530 октября, Волгоград. -2011. -С. 348.

13.Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Лукьянова Е.А., Тарытина И.Е. Механические свойства и поведение при нагревах высокопрочных сплавов системы Mg-Y-Gd-Zr // Тезисы 4-ой Международной конференции «Деформация и

разрушение материалов и наноматериалов», Москва, ИМЕТ РАН, 25-28 октября. -2011. -С. 382-384.

14.Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Лукьянова Е.А. Исследование механических свойств и характера разрушения стареющего магниевого сплава системы Mg-Y-Gd-Zr, подвергнутого холодной пластической деформации // Тезисы VI-ой Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, МИСиС, 17-19 апреля. -2012. -С. 19.

15.Лукьянова Е.А., Рохлин Л Л., Добаткина Т.В., Королькова И.Г. Упрочнение магниевых сплавов ультрадисперсными частицами, образовавшимися при распаде пересыщенного твердого раствора // Тезисы школы-конференци стран СНГ «Ультрамелкозернистые и нанокристаллические материалы», 812 октября, Уфа. -2012. -С. 109.

16.Добаткина Т.В, Рохлин Л.Л., Лукьянова Е.А. Деформируемый магниевый сплав ИМВ7-1, содержащий редкоземельные металлы, для работы при близких к комнатной и повышенных температурах // Труды 10-й Международной технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ'13), Санкт-Петербург, 25-29 июня. -2013. -С. 560-566.

17.Добаткин C.B., Рохлин Л.Л., Мурашкин М.Ю., Добаткина Т.В., Тарытина И.Е., Лукьянова Е.А. Структура и свойства магниевого сплава Mg-5%Y-5%Gd-0,4%Zr после сдвига под давлением // Сборник тезисов V Всероссийской конференции «НАНО 2013» 23-27 сентября, Звенигород. -2013. - С.287-288.

18.Рохлин Л.Л., Лукьянова Е.А., Добаткина Т.В. Механические свойства сплавов Mg-Y-Gd-Zr и Mg-Sm-Tb-Zr в литом состоянии, полученных методом направленной кристаллизации // Тезисы IV-ой Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве», ДГМА, Краматорск, Украина. -2013,-С. 191-192.

19.Рохлин Л.Л., Лукьянова Е.А., Добаткина Т.В, Королькова И.Г. Peculiarities of the physico-chemical interaction in the ternary systems of magnesium with two rare-earth metals of the different subgroups // Тезисы XII International conference on crystal chemistry of intermetallic compounds, ЛНУ им. И. Франко, Львов, Украина-2013. -Р.47.

20.Лукьянова Е.А., Рохлин ЛЛ., Добаткина Т.В. Новые исследования магниевых сплавов, с редкоземельными металлами // Доклады конференции «Современные магниевые и литейные алюминиевые сплавы», ФГУП «ВИАМ», Москва, 27 ноября. -2013.

26 .

Подписано в печать:

27.01.2014

Заказ № 9308 Тираж -150 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им A.A. Байкова Российской академии наук

На правах рукописи

042u'i öi

ЛУКЬЯНОВА Елена Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ЛЕГКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор

Л.Л. Рохлин

Москва 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................3

1. Литературный обзор............................................................................................9

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЛАВОВ......................34

2.1. Приготовление сплавов для исследования...............................................34

2.2. Обработка сплавов......................................................................................37

2.3. Методы структурно-фазового анализа......................................................38

2.4. Методы определения механических свойств...........................................41

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ СПЛАВА ИМВ7-1 ПУТЕМ ОТЖИГА И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИ.................43

3.1. Поведение сплава ИМВ7-1 при отжиге....................................................43

3.2. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства сплава ИМВ7-1...................................................................................................51

3.3. Влияние интенсивной пластической деформации на свойства сплава ИМВ7-1................................................................................................................55

3.4. Выводы по Главе 3......................................................................................61

4. ИССЛЕДОВАНИЕ БОГАТЫХ МАГНИЕМ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Mg-Y-Оё-Эт.....................................................................................................................62

4.1. Исследование фазовых равновесий в богатых магнием сплавах системы М§-У-Ос1-8т (построение фрагментов диаграммы состояния)..................62

4.2. Исследование механических свойств сплавов системы.........................78

4.3. Выводы по Главе 4......................................................................................86

5. ИССЛЕДОВАНИЕ БОГАТЫХ МАГНИЕМ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Мё-8т-ТЬ.....................................................................................................................87

5.1. Исследование фазовых равновесий в богатых магнием сплавах системы М^Бт-ТЬ...........................................................................................................87

5.2. Исследование распада пересыщенного твердого раствора на основе магния в сплавах системы Mg-Sm-Tb...........................................................109

5.3. Исследование механических свойств сплавов системы Mg-Sm-Tb-Zr ............................................................................................................................129

5.4. Выводы по Главе 5....................................................................................139

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................141

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Магний является одним из наиболее легких металлов с плотностью

о

1,74 г/см , что в 1,5 раза меньше плотности алюминия, в 2,5 раза меньше плотности титана и в 4,5 раза меньше плотности железа. Легирование магния позволяет существенно повысить его прочностные свойства при сохранении малой плотности. Высокая удельная прочность магниевых сплавов предопределяет интерес использования их в качестве легких конструкционных материалов для ряда областей техники, где снижение собственного веса конструкций имеет большое значение. В первую очередь такими областями являются авиационная и космическая техника, а также автомобильная промышленность, для которой всё более важной характеристикой становится низкое потребление углеводородного топлива [1-5]. Развитие авиационной и других областей техники требует разработки новых легких магниевых сплавов с высокой прочностью и жаропрочностью. Эти требования вытекают из того, что значительно увеличились скорости полета объектов авиационной техники, и соответственно увеличилась мощность используемых в них двигателей. Вследствие этого повысились температуры аэродинамических нагревов возможных деталей из магниевых сплавов и температуры их нагревов от работающих вблизи двигателей. Повышение прочности и жаропрочности магниевых сплавов остается одной из актуальных задач для областей техники, где эти сплавы используются.

Проведенные исследования в области магниевых сплавов, связанные с разработкой на их основе материалов, характеризующихся высокой прочностью и жаропрочностью, показали целесообразность использования редкоземельных металлов в качестве легирующих добавок [6,7]. В настоящее время к магниевым сплавам с редкоземельными металлами во многих странах проявляется значительный интерес в связи с тем, что на них удается получить высокие прочностные характеристики при близких к комнатной и повышенных температурах, которые в магниевых сплавах, не содержащих редкоземельные металлы, не достигаются [8]. При этом, эффект улучшения

характеристик машин, в которых используются такие сплавы, как правило, оправдывает повышенную стоимость этих материалов.

Влияние отдельных редкоземельных металлов на магниевые сплавы не одинаково, и существуют определенные закономерности в их влиянии в зависимости от атомного номера и принадлежности к одной из подгрупп редкоземельных металлов (цериевой или иттриевой). К настоящему времени довольно хорошо изучены магниевые сплавы, содержащие какой-либо один редкоземельный металл (или смесь, состоящую в основном из одного металла без определенной регламентации остальных). Первоначально такими металлами были церий, лантан, неодим и иттрий. Последующие исследования двойных сплавов магния с редкоземельными металлами выявили несколько новых легирующих элементов, которые могли бы рассматриваться как эффективные упрочняющие добавки в магниевых сплавах. Это в первую очередь гадолиний, тербий и диспрозий. К ним так же можно отнести самарий, который менее эффективен как упрочнитель, но содержащие его сплавы показывают более высокую пластичность после упрочняющей термической обработки.

Кроме того, была выявлена возможность улучшения характеристик магниевых сплавов при определенных сочетаниях в них редкоземельных металлов. Примером сплавов такого рода являются сплавы системы Mg-Y-Gd-Zr, содержащие, гадолиний и иттрий в пределах их совместной растворимости в твердом магнии. Иттрий и гадолиний принадлежат к одной и той же иттриевой подгруппе редкоземельных металлов и оба значительно улучшают прочностные свойства магния одинаковым образом. В горячедеформированном состоянии сплавы системы Mg-Y-Gd-Zr обладают особенно высокой прочностью при комнатной и повышенных температурах и могут производиться на промышленном уровне. К числу таких сплавов относится сплав ИМВ7-1 (~5% Y,~5%Gd) [9], разработанный при совместном участии ИМЕТ РАН, ВИАМ, МПО «Композит» и ВИЛС, и сплав Electron 675 (~14%(Y+Gd)) британской компании Magnesium Elektron Ltd. [9].

1 Далее, если специально не оговаривается, содержание элементов приводится в масс.%

Другим примером магниевых сплавов являются сплавы, содержащие в качестве легирующих добавок редкоземельные металлы, принадлежащие разным подгруппам (иттриевой и цериевой). В таких сплавах могут достигаться наилучшие механические свойства в сочетании с благоприятной кинетикой упрочнения при термообработке с меньшими выдержками [10-14].

Настоящая работа была направлена на изыскание возможностей создания новых легких конструкционных магниевых сплавов с лучшими характеристиками, чем применяемые в настоящее время. Такими сплавами рассматривались сплавы с редкоземельными металлами, которые вообще не исследовались или исследовались не полностью.

Исследования магниевых сплавов в работе осуществлялись в трех направлениях. Первое направление - это улучшение свойств сплавов системы ]У^-У-Ос1-2г, к которой принадлежит сплав ИМВ7-1, путем применения для сплавов этого типа новых технологий. Второе направление -это улучшение свойств сплавов типа ИМВ7-1 путем их дополнительного легирования. Третье направление - это исследование магниевых сплавов с редкоземельными металлами ранее не изученной системы, на которых, как можно было предполагать, будут достигаться высокие прочностные свойства. В качестве такой системы рассматривалась система М§-8т-ТЬ, поскольку самарий и тербий являются редкоземельными металлами разных подгрупп, и в каждой подгруппе в двойных сплавах с магнием показали наиболее высокие прочностные свойства.

Цель работы: Изыскание возможностей создания новых магниевых сплавов с редкоземельными металлами, обладающих более высокими прочностными свойствами при комнатной и повышенных температурах, путем усовершенствования технологии и состава сплава ИМВ7-1 и использования сплавов ранее не изученной системы М^-8т-ТЬ.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи:

1) Установление влияния нагрева (отжига) на структуру и свойства горячепрессованного высокопрочного и жаропрочного магниевого сплава ИМВ7-1;

2) Исследование возможности упрочнения сплава ИМВ7-1 путем использования холодной пластической и интенсивной пластической деформации;

3) Изучение влияния легирования самарием на фазовый состав, поведение при термической обработке и свойства сплавов системы М§-У-Ос1-2г при соотношении иттрия и гадолиния 1:1, соответствующем их содержанию в сплаве ИМВ7-1, предполагая возможность улучшения характеристик этого сплава;

4) Изучение фазовых равновесий, особенностей поведения при термической обработке и механических свойств в зависимости от состава и структуры в сплавах тройной системы М^-8т-ТЬ.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1) Показано, что высокотемпературный отжиг приводит к незначительному разупрочнению сплава ИМВ7-1, после которого сплав сохраняет возможность упрочняться в процессе старения;

2) Установлена возможность дополнительного упрочнения сплава ИМВ7-1 системы М§-У-Ос1-2г путем холодной пластической деформации и интенсивной пластической деформации;

3) Изучены фазовые равновесия в сплавах систем 1У^-У-Ос1-8т и М£-8т-ТЬ в области, богатой магнием, и построены фрагменты соответствующих диаграмм состояния;

4) Установлено положительно влияние самария на кинетику старения и свойства сплавов М§-У-Оё-2г, заключающееся в повышении прочностных свойств и сокращении времени упрочняющей термообработки;

5) Показано, что в сплавах М§-8т-ТЬ самарий сокращает время упрочняющей термообработки, а тербий способствует их наибольшему упрочнению, которое обусловлено выделением дисперсной пластинчатой орторомбической фазы в результате распада магниевого твердого раствора.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1) Определена температура допустимого нагрева сплава ИМВ7-1, выше которой наступает его резкое разупрочнение;

2) Установлены концентрации дополнительной легирующей добавки самария, способствующего повышению свойств сплавов на основе системы М§-У-Ос1 и сокращению времени упрочняющей термообработки;

3) Определены режимы термической обработки, обеспечивающие повышение прочностных характеристик сплавов систем М§-У-Сё-8ш и Мв-8т-ТЬ.

4) Заложены основы для разработки новых сплавов на базе системы 8ш-ТЬ, обладающих высокими механическими свойствами при комнатной и повышенных температурах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Особенности влияния высокотемпературного отжига, холодной пластической и интенсивной пластической деформаций, дополнительного легирования на свойства высокопрочного и жаропрочного деформируемого магниевого сплава ИМВ7-1 системы

2) Установленные особенности строения диаграммы состояния сплавов системы Mg-Y-Gd-S.ni в области, богатой магнием;

3) Установленные особенности строения диаграммы состояния сплавов системы 1У^-8т-ТЬ в области, богатой магнием;

6) Особенности кинетики распада пересыщенного твердого раствора на основе магния и сопровождающих его фазовых превращений в сплавах системы 1У^-8т-ТЬ.

7) Оценка механических свойств сплавов систем 1У^-У-Ос1-8т-^г и 8т-ТЬ.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на

конференциях: всероссийская конференция молодых научных сотрудников

аспирантов и «Физико-химия и технология неорганических материалов»

Москва, ИМЕТ РАН, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013; евразийская научно-

практическая конференция «Прочность неоднородных структур», Москва, НИТУ МИСиС, 2010, 2012; Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, НИТУ МИСиС, 2011; международный симпозиум «Металлургия и материалы», Шибеник, Хорватия, 2010, 2012; международная конференция по кристаллохимии интерметаллидных соединений, Львов, Украина, 2010, 2013; Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Волгоград, 2011; международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве», Краматорск, Украина, 2011, 2013; международная конференция HighMatTech, Киев, Украина, 2011; международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, ИМЕТ РАН, 2011, 2013; конференция «Современные магниевые и литейные алюминиевые сплавы», Москва, ФГУП ВИАМ, 2011, 2013; школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и нанокристаллические материалы», Уфа, 2012; международная молодежная конференция «Junior Euromat», Швейцария, Лозанна, 2012, международная техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ'13), Санкт-Петербург, 2013; всероссийская конференция «НАНО 2013», Москва, ИМЕТ РАН, 2013.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института металлургии и материаловедения им.А.А. Байкова Российской академии наук; поддержана проектами программы Отделения химии и наук о материалах (ОХНМ-02) РАН «Создание новых металлических, керамических, стекло-, полимерных и композиционных материалов».

Автор принимала непосредственное участие в разработке методик проведения экспериментов, проведении экспериментов, обсуждении результатов и их оформлении в виде научных публикаций.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 35 научных работах, 8 из которых - в списке, отечественных рецензируемых журналов, рекомендуемых ВАК.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Интерес к магниевым сплавам как к легким конструкционным материалам обусловлен сочетанием малого удельного веса и сравнительно высокими прочностными свойствами. Применение магниевых сплавов в качестве конструкционного материала позволяет существенно сократить массу изготовляемых деталей. Благодаря этому, магниевые сплавы нашли важное применение в самолето- и ракетостроении, где снижение собственного веса конструкций позволило снизить расход топлива, повысить дальность и высоту полета летательных аппаратов, увеличить их скорость и грузоподъемность [1,2]. В последние годы существует тенденция, направленная на снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в результате увеличения количества автомобильного транспорта. Вследствие этого, снижение расхода топлива становится одной из главных задач автомобильной промышленности, которая может быть решена путем использования большего числа деталей, изготовленных из легких высокопрочных магниевых сплавов. К примеру, компанией Volkswagen был изготовлен опытный автомобиль, состоящий на 38% по массе из магниевых сплавов (отливки, листы, пресс-изделия), который расходует 0,89 л дизельного топлива на 100 км [16]. Кроме того, магниевые сплавы в настоящий момент широко используются в корпусах портативных устройств, обладающих не только легким весом, но и виброустойчивостью, сопротивлением электромагнитному излучению, которое не может быть обеспечено пластиковыми материалами. Поскольку магний и продукты его коррозии имеют отличную биосовместимость, магниевые сплавы также нашли широкое применение в области биоматериалов в качестве биоабсорбируемых имплантатов, таких как, например, стенты и пластины. [3-5].

Широкое исследование и внедрение в промышленность магниевых сплавов началось после первой мировой войны и было связано с авиацией.

Первые промышленные сплавы в качестве легирующих добавок содержали марганец, кремний, алюминий и цинк. Эти сплавы получили широкое применение и некоторые из них продолжают использоваться на сегодняшний день. Позже были разработаны сплавы, содержащие цирконий и мишметалл (ММ), представляющий собой смесь редкоземельных металлов в соотношениях, в которых они приблизительно присутствуют в совместных рудах, и состоящий в основном из церия. Положительное действие циркония на магниевые сплавы заключалось главным образом в измельчении зерна литой структуры, добавки мишметалла способствовали улучшению прочностных характеристик при повышенных температурах [17]. Разделение редкоземельных металлов из руд требовало дополнительных затрат, вследствие ч