Результат интеллектуальной деятельности: Способ обработки магниевого сплава системы Mg-Y-Nd-Zr методом равноканального углового прессования

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке сплавов на основе магния, и может быть использовано в авиастроении для изготовления различных деталей вертолетов и самолетов, в ракетной технике, например, для изготовления корпусов ракет, обтекателей и т.д., в конструкциях автомобилей. Хорошая биосовместимость позволяет использовать магниевые сплавы в медицине.

Вместе с тем магниевые сплавы обладают рядом недостатков. Из-за гексагональной структуры магниевые сплавы обладают низкой пластичностью и соответственно низкой технологичностью. Диффузионные процессы в магниевых сплавах протекают медленно, особенно в низколегированных магниевых сплавах, в связи с чем, их нужно длительное время нагревать под закалку, что осложняет их термическую обработку и приводит к рекристаллизационному росту зерна и снижению прочности.

Известны попытки измельчения структуры магниевых сплавов с помощью методов интенсивной пластической деформации, в частности равноканального углового прессования (РКУП).

Так известен способ получения биоразлагаемых магниевых сплавов, содержащих иттрий и неодим, включающий выплавку сплава и равноканальное угловое прессование в два этапа, причем первый этап осуществляют при температуре между 250°С и 400°С, а второй этап - при температуре между 150°С и 300°С (US 20170056562 A1, C22F 1/06, 02.03.2017, US 20150157767 A1, С22С 1/06, 11.06.2015, US 9522220 B2, C22F 1/06, 20.12.2016). Полученный сплав имеет хорошую прочность, но низкую пластичность из-за внесения в состав керамических наночастиц. Низкая пластичность существенно ограничит область применения сплава.

Известен способ получения магниевого сплава серии Mg-РЗМ-Zr, включающий обработку на твердый раствор при температуре 300-500°С, предварительную деформацию, формирующую структуру с размером зерна порядка 100 мкм, и равноканальное угловое прессование с получением структуры с размером зерна 100-450 нм (CN 104480330 A, C22F 1/06, 01.04.2015). Способ позволяет значительно измельчить структуру сплава и повысить его прочность, однако рост пластичности сплава затруднен из-за неравномерного распределения интерметаллических фаз, образованных магнием и РЗМ. Низка пластичность сама по себе является недостатком, ограничивающим возможности применения сплава. Кроме того, неравномерно распределенные фазы не могут гарантировать стабильность коррозионных свойств полученных сплавов по всей поверхности изделия, что приведет к неравномерности коррозии и, в конечном итоге, анизотропии свойств в процессе эксплуатации.

Из RU 2351686 C1, C22F 1/06, 10.04.2009 известен также способ термомеханической обработки сплавов на основе магния, включающий проведение гомогенизирующего отжига при температуре 415-520°С в течение 4-24 часов с последующей экструзией при температуре 300-450°С со степенью вытяжки 7-18 и равноканальное угловое прессование с истинной степенью деформации 6-8 (RU 2351686 C1, C22F 1/06, 10.04.2009). Указанный способ является наиболее близким к предложенному изобретению. Несмотря на значительное измельчение структуры сплавы на основе магния системы Mg-Y-Nd-Zr, полученные по представленной выше технологии, имеют низкую пластичность, причиной которой является неравномерное распределение выделяющейся фазы Mg₄₁Nd₅, тормозящей базисное скольжение. Кроме того, представленная выше схема предложена для обработки сплавов с низким содержанием легирующих элементов. Применение данной схемы, подразумевающей РКУП при температурах 250-320°С без постепенного понижения температуры, к сплавам на основе магния системы Mg-Y-Nd-Zr приведет к значительному падению пластичности уже в процессе обработки, что приведет к разрушению заготовки.

Настоящее изобретение направлено на разработку технологии получения магниевых сплавов системы Mg-Y-Nd-Zr, обладающих необходимым сочетанием прочности и пластичности.

Техническим результатом изобретения является повышение пластичности сплавов системы Mg-Y-Nd-Zr при сохранении достаточной прочности за счет смены преимущественного механизма деформации с базисного на призматическое скольжение.

Технический результат достигается тем, что в способе термомеханической обработки сплава на основе магния системы Mg-Y-Nd-Zr, включающем гомогенизирующий отжиг сплава и равноканальное угловое прессование, гомогенизирующий отжиг осуществляют при температуре 500-530°С в течение 7-9 часов с последующим охлаждением на воздухе, а равноканальное угловое прессование проводят ступенчато в интервале температур 425-300°C с суммарной истинной степенью деформации 6,0-8,0, при этом равноканальное угловое прессование на каждой ступени осуществляют при температуре на 25°С ниже температуры предыдущей ступени до получения структуры, состоящей из зерен размером менее 1 мкм.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Проведение гомогенизации при температуре 500-530°С позволяет получить достаточно равномерную структуру перед началом деформирования, устранить неоднородность состава сплава после литья, а также получить пересыщенный твердый раствор редкоземельных металлов в магнии. Понижение температуры гомогенизации ниже 500°С приводит к неполному растворению фазы Mg₄₁Nd₅, остатки которой будут располагаться по границам исходного зерна и ухудшать механические свойства, а также к незначительному пересыщению магниевого твердого раствора редкоземельными металлами, что в конечной структуре сплава приведет к уменьшению количества дисперсных частиц Mg₄₁Nd₅ и соответственно к снижению прочности. Повышение температуры гомогенизации выше 530°С приводит к частичному оплавлению границ зерен, также влияющему на прочность сплава.

Проведение гомогенизирующего отжига в течение 7-9 часов позволяет эффективно растворить фазу Mg₄₁Nd₅, а также добиться равномерного распределения легирующих элементов в сплаве. Гомогенизация меньше 7 часов приведет к неполному растворению фазы Mg₄₁Nd₅, а повышение времени свыше 9 часов - к сильному росту зерна. Оба фактора существенно снижают пластичность сплава.

Скорость охлаждения на воздухе позволяет подавить в сплаве диффузионные процессы и предотвратить распад пересыщенного твердого раствора, влияющие на достижение необходимой пластичности сплава. Снижение скорости охлаждения приведет к частичному выделению фазы Mg₄₁Nd₅ в процессе охлаждения, преимущественно по границам, и снижению степени пересыщения магниевого твердого раствора, а, следовательно, снижению пластичности сплава.

Экспериментально установлено, что температура деформирования в интервале 425-300°С позволяет достичь эффективного измельчения зерна. Повышение температуры начала РКУП выше 425°С приведет к активному росту зерна. Снижение температуры окончания РКУП ниже 300°С способствует активации двойникования, что в итоге снижает пластичность сплава. Кроме того, в этом случае снижение пластичности сплава может привести к разрушению образцов в процессе обработки.

Проведение деформации в интервале 6,0-8,0 позволяет получить на выходе преимущественно зеренную ультрамелкозернистую структуру. Понижение степени деформации ниже 6,0 способствует формированию неразвитой преимущественно субзеренной структуры с высокой долей малоугловых границ. Повышение степени деформации выше 8,0 не имеет смысла, поскольку не приводит к дальнейшему измельчению зерна и увеличению доли большеугловых границ.

Проведение деформирования при РКУП с температурным шагом, равным 25°С объясняется следующим. Понижение температуры РКУП на 25°С приводит к повышению прочности сплава за счет постепенного измельчения зерна, а промежуточные подогревы между проходами деформации приводят к релаксации структуры в процессе обработки, что не дает пластичности падать. Кроме того, такой деформационный шаг позволяет получить равномерно распределенные мелкодисперсные частицы фазы Mg₄₁Nd₅. Уменьшение указанного параметра приведет к увеличению количества промежуточных подогревов, что в свою очередь способствует снижению плотности дислокаций, росту зерна и укрупнению частиц фазы Mg₄₁Nd₅, что приведет в дальнейшем к снижению прочности Увеличение температурного шага деформирования не позволяет провести достаточную релаксацию структуры между проходами РКУП, что негативно скажется на пластичности сплава.

Пример осуществления изобретения.

Обработке подвергали сплав WE43, состава Mg-3,56%Y-2,20%Nd-0,47%Zr. В исходном состоянии сплав был гомогенизирован при температуре 525°С в течение 8 часов и охлажден на воздухе. Из слитка были вырезаны заготовки диаметром 10 мм и длиной 60 мм. Заготовки деформировали методом равноканального углового прессования (РКУП) по маршруту Вс на установке с углом пересечения каналов 120°. Деформирование проводили по двум технологическим режимам. Истинная степень деформации и суммарное количество проходов составило 7,8 и 12, соответственно, для обоих режимов.

Режим обработки магниевого сплава системы Mg-Y-Nd-Zr.

Сплав обрабатывался по двум технологическим режимам. Режим 1 заключается в деформировании сплава при температуре 400°С на 6 проходов РКУП, а затем снижении температуры обработки на 50°С, до 350°С, и проведении еще 6 проходов РКУП. Режим 2 заключается в ступенчатом деформировании, начиная с температуры 425°С и заканчивая при температуре 300°С, с шагом понижения температуры 25°С. При этом при каждой температуре деформации проводится 2 проходу РКУП (425°С, 2 прохода → 400°С, 2 прохода → 375°С, 2 прохода → 350°С, 2 прохода → 325°С, 2 прохода → 300°С, 2 прохода).

Деформирование по обоим режимам привело к измельчению структуры. В исходном состоянии средний размер зерна составлял 70 мкм.

Режим 1 (по прототипу). После РКУП по режиму 1 формируется структура со средним размером зерна 1,00±0,14 мкм, а также частицы фазы Mg₄₁Nd₅ со средним размером 0,41±0,18 мкм, которые образовались в процессе нагревов под обработку и деформации. Текстура при этом из базисной трансформируется в наклоненную базисную. Эта текстура характерна для магниевых сплавов, деформированных РКУП и, в целом, приводит к увеличению пластичности при малоизменяющейся, а иногда и ухудшающейся даже при сильном измельчении зерна прочности. Изменение механических свойств после РКУП по режиму 1 относительно исходного состояния составляет: условный предел текучести изменяется со 150 до 180 МПа, предел прочности - с 220 до 250 МПа, а относительное удлинение - с 10,5 до 7%. В этом случае формирование наклоненной базисной текстуру не приводит к дополнительному росту пластичности из-за осаждения частиц фазы Mg₄₁Nd₅ в базисных плоскостях и торможения базисного скольжения.

Режим 2 (по изобретению). После РКУП по режиму 2 формируется структура со средним размером зерна 0,69±0,13 мкм, а также частицы фазы Mg₄₁Nd₅ со средним размером 0,45±0,18 мкм, которые образовались в ходе нагревов под обработку и деформации. Также в ходе деформации происходит формирование острой призматической текстуры (что подтверждается полюсными фигурами и значениями ориентационных факторов). Повышение механических свойств после РКУП по режиму 2 относительно исходного состояния составляет: условный предел текучести изменяется со 150 до 260 МПа, предел прочности - с 220 до 300 МПа, а относительное удлинение - с 10,5 до 13,2%. Повышение прочности происходит за счет измельчения зерна. Пластичность растет за счет трансформации текстуры из базисной в исходном состоянии в острую призматическую. Такая текстура не характерна для магниевых сплавов после РКУП, так как обычно формируется наклоненная базисная текстура как в случае режима 1. Однако при термомеханической обработке по заявленной технологии происходит осаждение частиц фазы Mg₄₁Nd₅ в базисных плоскостях, что тормозит в них движение дислокаций и приводит к активации призматического скольжения, что в свою очередь приводит к росту относительного удлинения.