Структура и свойства литейного магниевого сплава GEWZ522K системы Mg–Gd–Nd–Y–Zn–Zr

Рассмотрены кристаллизация и фазовый состав литейного сплава (мас.%) Mg–4,8Gd–2,1Nd–1,6Y–0,4Zn–0,6Zr (GEWZ522K). Показано, что в литом состоянии структура сплава состоит из первичных частиц циркония, дендритов магниевого твердого раствора αMg и эвтектических интерметаллических фаз, находящихся между их ветвями. В результате отжига при t = 530±5 °C сплав переходит в однофазное состояние и после закалки может быть значительно упрочнен в результате искусственного старения. Было предложено проводить старение сплава при t = 250 °C длительностью 8–10 ч или при t = 200 °C в течение 15–18 ч. При этом достигается максимальное упрочнение сплава, однако лучшие механические свойства были получены для сплава, состаренного при t = 250 °C. Независимо от режима старения, предел прочности на растяжение (σв) образцов превосходит 300 МПа, что гораздо выше показателей промышленных литейных сплавов по ГОСТ 2856-79. Рассчитанная скорость коррозии для сплава GEWZ522K равна 7,5±0,4 мм/год, что несколько больше, чем для менее легированного промышленного сплава МЛ10 (порядка 2,5 мм/год), испытанного в аналогичных условиях. Сплав был также испытан на сопротивление к возгоранию в контакте с воздухом. Установлено, что при непрерывном поступлении воздуха к поверхности образца очаги возгорания появляются при t = 625 °C вследствие разрушения оксидной плены, когда сплав практически полностью расплавляется. Таким образом, сплав GEWZ522K может быть использован в качестве высокопрочного литейного сплава. Однако при эксплуатации литых деталей из него необходимо уделять пристальное внимание защите их поверхности от коррозионного воздействия. 

1. Weiler J.P. A review of magnesium die-castings for closure applications. Journal of Magnesium and Alloys. 2019;7(2):297—304. https://doi.org/10.1016/j.jma.2019.02.005

2. Kulekci M.K. Magnesium and its alloys applications in automotive industry. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2008;39:851—865. https://doi.org/10.1007/s00170-007-1279-2

3. Zhang J., Liu S., Wu R., Hou L., Zhang M. Recent developments in high-strength Mg-RE-based alloys: Focusing on Mg—Gd and Mg—Y systems. Journal of Magnesium and Alloys. 2018;6(3):277—291. https://doi.org/10.1016/j.jma.2018.08.001

4. Yang Y., Xiong X., Chen J., Peng X., Chen D., Pan F. Research advances in magnesium and magnesium alloys worldwide in 2020. Journal of Magnesium and Alloys. 2021;9(3):705—747. https://doi.org/10.1016/j.jma.2021.04.001

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. Part 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. Морозова Г.И. Фазовый состав и коррозионная стойкость магниевых сплавов. Металловедение и термическая обработка металлов. 2008;3(633):8—12.

8. Rokhlin L.L., Dobatkina T.V., Tarytina I.E., Timofeev V.N., Balakhchi E.E. Peculiarities of the phase relations in Mg-rich alloys of the Mg—Nd—Y system. Journal of Alloys and Compounds. 2004;367(1—2):17—19. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2003.08.004

9. Rokhlin L.L. Magnesium alloys containing rare earth metals: Structure and properties. 1st ed. London: CRC Press, 2003. 256 p. https://doi.org/10.1201/9781482265163

10. Gao L., Chen R.S., Han E.H. Effects of rare-earth elements Gd and Y on the solid solution strengthening of Mg alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2009;481(1-2): 379—384. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.02.131

11. Stulikova I., Smola B., Cizek J., Kekule T., Melikhova O., Kudrnova H. Natural and artificial aging in Mg—Gd binary alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2018;738: 173—181. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.026

12. Wei X., Jin L., Dong S., Wang F., Dong J. Effect of Zn/(Gd + Y) ratio on the microstructure evolution and mechanical properties of Mg—Gd—Y—Zn—Zr alloy. Materials Characterization. 2020;169:110670. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110670

13. Zheng J., Yan Z., Ji J., Shi Y., Zhang H., Zhang Z., Xue Y. Effect of heat treatment on mechanical properties and microstructure evolution of Mg—9.5Gd—4Y—2.2Zn—0.5Zr alloy. Journal of Magnesium and Alloys. 2022;10(4):1124— 1132. https://doi.org/10.1016/j.jma.2021.05.018

14. Liu W., Zhou B., Wu G., Zhang L., Peng X., Cao L. High temperature mechanical behavior of low-pressure sandcast Mg—Gd—Y—Zr magnesium alloy. Journal of Magnesium and Alloys. 2019;7(4):597—604. https://doi.org/10.1016/j.jma.2019.07.006

15. Колтыгин А.В., Павлов А.В., Баженов В.Е., Белов В.Д. Высокопрочный литейный магниевый сплав: Патент 2786785 (РФ). 2022.

16. Bazhenov V.E., Koltygin A.V., Sung M.C., Park S.H., Tselovalnik Yu.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

17. Andersson J.O., Helander T., Höglund 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

18. Thermo-Calc software TCMG4: TCS Mg-based alloys database. Version 4. https://thermocalc.com/products/databases/magnesium-based-alloys/ (accessed: 01.05.2022).

19. 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

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

21. Zhou B., Liu W., Wu G., Zhang L., Zhang X., Ji H., Ding W. Microstructure and mechanical properties of sandcast Mg—6Gd—3Y—0.5Zr alloy subject to thermal cycling treatment. Journal of Materials Science & Technology. 2020;43:208—219. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.01.013

22. He S.M., Zeng X.Q., Peng L.M., Gao X., Nie J.F., Ding W.J. Precipitation in a Mg—10Gd—3Y—0.4Zr (wt.%) alloy during isothermal ageing at 250 °C. Journal of Alloys and Compounds. 2006;421(1—2):309—313. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2005.11.046

23. 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.

24. Kubásek J., Vojtěch D. Structural and corrosion characterization of biodegradable Mg—RE (RE = Gd, Y, Nd) alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013;23(5):1215—1225. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(13)62586-8

25. Баженов В.Е., Баранов И.И., Лыскович А.А., Колтыгин А.В., Санников А.В., Кярамян К.А., Белов В.Д., Павлинич С.П. Исследование литейных, механических, коррозионных свойств и пожароопасности магниевых сплавов МЛ-ОПБ и EWZ43. Известия вузов. Цветная металлургия. 2023;29(1):39— 55. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2023-1-39-55

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