Исследование магниевых сплавов с редкоземельными металлами для создания новых легких конструкционных материалов

• Автор: Лукьянова, Елена Александровна
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 158 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Литературный обзор
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЛАВОВ
2.1. Приготовление сплавов для исследования
2.2. Обработка сплавов
2.3. Методы структурно-фазового анализа
2.4. Методы определения механических свойств
3.ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ СПЛАВА ИМВ7-1 ПУТЕМ ОТЖИГА И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИ
3.1. Поведение сплава ИМВ7-1 при отжиге
3.2. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства сплава ИМВ
3.3. Влияние интенсивной пластической деформации на свойства сплава ИМВ
3.4. Выводы по Главе
4. ИССЛЕДОВАНИЕ БОГАТЫХ МАГНИЕМ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Mg-Y-Gd-Sra
4.1. Исследование фазовых равновесий в богатых магнием сплавах системы Mg-Y-Gd-Sm (построение фрагментов диаграммы состояния)
4.2. Исследование механических свойств сплавов системы
4.3. Выводы по Главе
5. ИССЛЕДОВАНИЕ БОГАТЫХ МАГНИЕМ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Mg-Sm-Tb
5.1. Исследование фазовых равновесий в богатых магнием сплавах системы Mg-Sm-Tb
5.2. Исследование распада пересыщенного твердого раствора на основе магния в сплавах системы Mg-Sm-Tb
5.3. Исследование механических свойств сплавов системы Mg-Sm-Tb-Zr
5.4. Выводы по Главе
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Магний является одним из наиболее легких металлов с плотностью 1,74 г/см3, 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.%

Промышленные лигатуры:
1) циркониевая Mg-15%Zr; Mg-9,6%Zr;
2) марганцевая Mg-2%Mn.
Флюсы:
1) ВИ-2 - 38-46% MgCl2, 32-40% KCl, 3-5% CaF2, 5-8% ВаС12, 1,5% MgO, <8% (NaCl + СаС12);
2) 80% LiCl + 20% LiF.
Самарий, тербий, иттрий, гадолиний, неодим, цирконий, марганец вводились при плавке в расплав магния в виде лигатур, а цинк и алюминий -в чистом виде.
В рамках исследования сплава ИМВ7-1 была использована горячепрессованная плита сплава состава Mg-4,71%Y-4,58%Gd-0,31 %Zr с поперечным сечением 200x40 мм2, полученная путем горячего прессования (экструзии) круглого слитка со степенью деформации -90% (степень вытяжки 13). Предварительно сплав ИМВ7-1 был выплавлен в промышленных условиях в печи с инертной атмосферой и отлит в круглый слиток путем полунепрерывного литья.
2.1.2. Плавка лигатуры и сплавов
Обычно в процессе плавки магниевых сплавов определенное количество редкоземельных металлов может теряться. Поэтому при расчете шихтовых материалов учитывались соответствующие возможные потери. Состав лигатуры выбирался в области концентраций, близких к составу низкоплавкой эвтектики, согласно двойным диаграммам состояния Mg-P3M. Плавка лигатур и сплавов осуществлялась в электрической печи сопротивления с использованием покровного флюса ВИ-2, предотвращающего расплав от возгорания. Первым в нагретый до 700-740°С стальной тигель загружался основной компонент сплава - магний, а затем после его расплавления остальной шихтовой материал в последовательности по убыванию доли в навеске. Для полного растворения всех компонентов и