Исследование литейных, механических, коррозионных свойств и пожароопасности магниевых сплавов МЛ-ОПБ и EWZ43

Магниевые сплавы как конструкционные материалы обычно рассматриваются в тех случаях, когда снижение массы имеет важнейшее значение, например в авиации и космонавтике. В последние годы наблюдается расширение применения пожаробезопасных высокопрочных магниевых сплавов нового поколения в конструкциях авиационных изделий. В работе были изучены свойства новых пожаробезопасных литейных магниевых сплавов МЛ-ОПБ (Mg–6,7Y–2,6Zn–0,5Zr– 0,35Ce–0,35Yb) и EWZ43 (Mg–3,8Y–4,4Nd–0,6Zr–0,6Zn) и выполнено их сравнение с промышленными магниевыми сплавами. Микроструктура исследуемых сплавов в литом состоянии представляет собой магниевый твердый раствор и значительное количество эвтектики. Термическая обработка по режиму Т6 приводит к изменению морфологии фаз в эвтектике, а также их частичному растворению в магниевой матрице. В результате длительной высокотемпературной выдержки, имитирующей условия эксплуатации (500 ч при 300 °С), происходит формирование выделений по границам зерен в обоих сплавах, которые значительно снижают механические свойства. Было установлено, что при окислении образцов основными компонентами, переходящими в оксидную плену и обеспечивающими защитные свойства сплавов, являются Y, Nd и Yb. Рассматриваемые сплавы обладают высокими прочностными свойствами, которые не ниже, чем у сплава МЛ10. При этом преимуществом сплава МЛ-ОПБ является высокое относительное удлинение, а для сплава EWZ43 характерна высокая прочность. Скорость коррозии этих сплавов выше, чем у известных промышленных сплавов МЛ10 и МЛ5, из чего следует, что исследуемые сплавы требуют дополнительной защиты от коррозии. При этом литейные свойства сплавов МЛ-ОПБ и EWZ43 оказались не ниже, чем у наиболее распространенных магниевых сплавов. При взаимодействии сплавов с формой из холодно-твердеющей смеси формируется оксидная плена с высоким содержанием Y и хорошими защитными свойствами. Температура возгорания изученных сплавов оказалась на 100–150 °С выше, чем у сплава МЛ10. Испытание сплавов в пламени газовой горелки на конусных образцах и типовых авиационных отливках типа «кронштейн» показало, что сплавы МЛ-ОПБ и EWZ43 практически не горят в условиях эксперимента.

1. Czerwinski F. Overcoming barriers of magnesium ignition and flammability. Advanced Materials and Processes. 2014; 172: 28–31.

2. Marker T.R. Development of a laboratory-scale flammability test for magnesium alloys used in aircraft seat construction. Scientific report No. DOT/FAA/TC-13/52. Springfield: National Technical Information Services (NTIS), 2014.

3. Tekumalla S., Gupta M. An insight into ignition factors and mechanisms of magnesium based materials: A review. Materials and Design. 2017; 113: 84–98. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.09.103

4. Tan Q., Atrens A., Mo N., Zhang M.X. Oxidation of magnesium alloys at elevated temperatures in air: A review. Corrosion Science. 2016; 112: 734–759. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2016.06.018

5. Fan J.F., Yang Ch.L., Han G., Fang S., Yang W.D., Xu B.S. Oxidation behavior of ignition-proof magnesium alloys with rare earth addition. Journal of Alloys and Compounds. 2011; 509 (5): 2137–2142. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.10.168

6. Aydin D.S., Bayindir Z., Hoseini M., Pekguleryuz M.O. The high temperature oxidation and ignition behavior of Mg–Nd alloys. Рart I: The oxidation of dilute alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2013; 569: 35–44. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.03.130

7. Zhao S., Zhou H., Zhou T., Zhang Z., Lin P., Ren L. The oxidation resistance and ignition temperature of AZ31 magnesium alloy with additions of La2O3 and La. Corrosion Science. 2013; 67: 75–81. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2012.10.007

8. Fan J.F., Cheng S.L., Xie H., Hao W.X., Wang M., Yang G.C., Zhou Y.H. Surface oxidation behavior of Mg—Y—Ce alloys at high temperature. Metallurgical and Materials Transactions A. 2005; 36 (1): 235–239. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0155-7

9. Cheng C., Lan Q., Wang A., Le Q., Yang F., Li X. Effect of Ca additions on ignition temperature and multi-stage oxidation behavior of AZ80. Metals. 2018; 8: 766. https://doi.org/10.3390/met8100766

10. Inoue S.I., Yamasaki M., Kawamura Y. Formation of an incombustible oxide film on a molten Mg–Al–Ca alloy. Corrosion Science. 2017; 122: 118–122. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2017.01.026

11. Kim Y.H., Kim W.J. Flame-resistant Ca-containing AZ31 magnesium alloy sheets with good mechanical properties fabricated by a combination of strip casting and high-ratio differential speed rolling methods. Metals and Materials International. 2015; 21: 374–381. https://doi.org/10.1007/s12540-015-4338-5

12. Дуюнова В.А., Леонов А.А., Трофимов Н.В., Ростовцева А.С. Особенности влияния качественного и количественного соотношения редкоземельных элементов в новом пожаробезопасном литейном магниевом сплаве. Металлы. 2021; (6): 34–38.

13. Konstantinov I.L., Baranov V.N., Sidelnikov S.B., Kulikov B.P., Bezrukikh A.I., Frolov V.F., Orelkina T.A., Voroshilov D.S., Yuryev P.O., Belokonova I.N. Investigation of the structure and properties of cold-rolled strips from experimental alloy 1580 with a reduced scandium content. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020; 109: 443–450. https://doi.org/10.1007/s00170-020-05681-4

14. Колтыгин А.В., Баженов В.Е., Белов В.Д., Матвеев С.В. Литейный магниевый сплав: Пат. 2687359 (РФ). 2018.

15. Koltygin A.V., Bazhenov V.E., Khasenova R.S., Komissarov A.A., Bazlov A.I., Bautin V.A. Effects of small additions of Zn on the microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of WE43B Mg alloys. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2019; 26 (7): 858–868. https://doi.org/10.1007/s12613-019-1801-1

16. Zhu Y.M., Morton A.J., Nie J.F. The 18R and 14H longperiod stacking ordered structures in Mg–Y–Zn alloys. Acta Materialia. 2010; 58 (8): 2936–2947. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.01.022

17. Xu D., Han E.H., Xu Y. Effect of long-period stacking ordered phase on microstructure, mechanical property and corrosion resistance of Mg alloys: A review. Progress in Natural Science: Materials International. 2016; 26 (2): 117–128. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2016.03.006

18. Luo S.Q., Tang A.T., Pan F.S., Song K., Wang W.Q. Effect of mole ratio of Y to Zn on phase constituent of Mg–Zn– Zr–Y alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011; 21 (4): 795–800. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(11)60783-8

19. Xu D.K., Tang W.N., Liu L., Xu Y.B., Han E.H. Effect of W-phase on the mechanical properties of as-cast Mg– Zn–Y–Zr alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2008; 461 (1–2): 248–252. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.07.096

20. Xu D.K., Tang W.N., Liu L., Xu Y.B., Han E.H. Effect of Y concentration on the microstructure and mechanical properties of as-cast Mg–Zn–Y–Zr alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2007; 432 (1–2): 129–134. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.05.123

21. Bazhenov V.E., Saidov S.S., Tselovalnik Yu.V., Voropaeva O.O., Plisetskaya I.V., Tokar A.A., Bazlov A.I., Bautin V.A., Komissarov A.A., Koltygin A.V., Belov V.D. Comparison of castability, mechanical, and corrosion properties of Mg–Zn–Y–Zr alloys containing LPSO and W phases. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2021; 31 (5): 1276–1290. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(21)65577-2

22. Andersson J.O., Helander T., Hцglund L., Shi P.F., Sundman B. Thermo-Calc and DICTRA, computational tools for materials science. CALPHAD. 2002; 26 (2): 273–312. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00037-8

23. Thermo-Calc software TCMG4: TCS Mg-based alloys database version 4 (accessed: 01.03.2022).

24. Bazhenov V.E., Koltygin A.V., Sung M.C., Park S.H., Tselovalnik Y.V., Stepashkin A.A., Rizhsky A.A., Belov M.V., Belov V.D., Malyutin K.V. Development of Mg– Zn–Y–Zr casting magnesium alloy with high thermal conductivity. Journal of Magnesium and Alloys. 2021; 9 (5): 1567–1577. https://doi.org/10.1016/j.jma.2020.11.020

25. Kirkland N.T., Birbilis N., Staiger M.P. Assessing the corrosion of biodegradable magnesium implants: a critical review of current methodologies and their limitations. Acta Biomaterialia. 2012; 8 (3): 925–936. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2011.11.014

26. ASTM Standard G1-03. Standard practice for preparing, cleaning, and evaluating corrosion test specimens. West Conshohocken: ASTM International, 2011.

27. ASTM Standard G102-89, Standard practice for calculation of corrosion rates and related information from electrochemical measurements. West Conshohocken: ASTM International, 2015.

28. Баженов В.Е., Пикунов М.В., Сафронова А.А., Целовальник Ю.В. Исследование горячеломкости сплавов системы Al–Zn. Металлы. 2017; (5): 37–44.

29. Баженов В.Е., Колтыгин А.В., Титов А.Ю., Белов В.Д., Павлинич С.П. Влияние ингибиторов горения на прочность форм из ХТС и состав оксидной плены на поверхности отливок из сплава МЛ19. Литейное производство. 2019; (5): 8–14.

30. Колтыгин А.В., Баженов В.Е. Структура и свойства магниевого сплава МЛ10 (NZ30K), используемого в качестве шихты для производства отливок. Цветные металлы. 2017; (7): 68–72. https://doi.org/10.17580/tsm.2017.07.11

31. Баженов В.Е., Санников А.В., Саидов С.С., Рижский А.А., Колтыгин А.В., Белов В.Д., Юдин В.А. Влияние содержания легирующих элементов и скорости охлаждения на коррозионную стойкость сплава МЛ10. Литейное производство. 2020; (12): 13–18.

32. Bazhenov V.E., Koltygin A.V., Sung M.C., Park S.H., Titov A.Yu., Bautin V.A., Matveev S.V., Belov M.V., Belov V.D., Malyutin K.V. Design of Mg–Zn–Si– Ca casting magnesium alloy with high thermal conductivity. Journal of Magnesium and Alloys. 2020; 8 (1): 184–191. https://doi.org/10.1016/j.jma.2019.11.008

33. Li C.Q., Xu D.K., Zeng Z.R., Wang B.J., Sheng L.Y., Chen X.B., Han E.H. Effect of volume fraction of LPSO phases on corrosion and mechanical properties of Mg– Zn–Y alloys. Materials and Design. 2017; 121: 430–441. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.02.078

34. StJohn D.H., Qian M., Easton M.A., Cao P., Hildebrand Z. Grain refinement of magnesium alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 2005; 36: 1669–1679. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0030-6

35. Jiang D.T., Mukherjee A.K. Spark plasma sintering of an infrared-transparent Y2O3–MgO nanocomposite. Journal of the American Ceramic Society. 2010; 93 (3): 769–773. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2009.03444