Нові магнієві сплави з підвищеними властивостями для авіаційних двигунів Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 669.721.5:621.74

Канд. техн. наук В. А. Шаломеев, д-р техн. наук Е. I. Цив1рко, Ю. О. Зеленюк

ЗапорЬький нацюнальний техтчний утверситет, м. Запоргжжя

НОВ1 МАГН1еВ1 СПЛАВИ З П1ДВИЩЕНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ ДЛЯ АВ1АЦ1ЙНИХ ДВИГУН1В

Долджували вплив легування литого магниевого сплаву МЛ-5 на х^м^чний склад, структурно складовI, мехашчш й жаромщш властивостI. Отримано залежносто впливу розмору ттерметалодноI фази, и морфологи о топологи на мехашчш властивосто виливк^в з магше-вих сплавов. Встановлено вплив вмсту термостойкоI ттерметалодноI фази, що утво-рюеться при введенш в магшево сплави тугоплавких елементов, на жаромщшсть лиття.

Ключов1 слова: магшевий сплав, хомочний склад, мкролегування, ттерметалод, мехашчо властивостI, жаромщшсть.

Для сучасного ав1адвигунобудування, де по-ряд з1 звичайними вимогами до конструкцш, що працюють у значному температурному д1апазон1, стае все бшьш важливим зменшення ¿хньо! ваги, що робить застосування легких конструкцшних матер1ал1в на основ! магню досить перспектив-ним [1].

Застосування виливюв !з магшевих сплав1в дозволяе ктотно знизити масу агрегат1в, що за-безпечуе пдвищення корисного навантаження, дальност пробку, зниження витрат пального. Вимоги до експлуатацшно! надшноста та довго-в1чност1 ав1ацшно1 технжи, що зростають, обу-мовлюють необхвдшсть п1двищення властивос-тей виливкiв !з магшевих сплавiв [2].

Тому розроблення нових ! вдосконалення х!м1чного складу використовуваних магшевих сплав!в з кращими властивостями, полшшення якост1 виливк!в за рахунок керування !х струк-турними характеристиками е актуальною проблемою, вир1шення яко! прискорить розвиток та конкурентоспроможшсть впчизняного ав1адви-гунобудування.

Полшшення властивостей магн1евих сплав1в досягали за рахунок !х мжролегування та моди-фжування.

Для легування ! модифжування магн1евих сплав!в вщбрали х1м!чн1 елементи за такими кри-тер!ями: близьк1сть атомних д1аметр!в (< 15 %) ! р1зниця електронегативност! (< 0,4) [3, 4]. З усьо-го р1знома!ття елемент!в Перюдично! системи Д. I. Менделеева задовольняли цим критер!ям елементи А1, 81, 8с, Т1, 2и, ве, У, 2г, А& N6, ИГ, ! РЬ, серед яких Nd , ве, Ag, 81, У, 8с, 2г, Т1 ! ИГ одночас-но е перспективними елементами для полшшення жаромщносп магн1евих сплав!в, тому що температура плавлення !х перевищуе температуру плавлення основи сплаву.

Дослвджували вплив вищевказаних елемент!в на структуроутворення, механ1чн1 властивост! !

© В. А. Шаломеев, Е. I. Цивiрко, Ю. О. Зеленюк, 2012

тривалу мщшсть виливыв з магн1евого сплаву МЛ5. Для пор!вняння проводили дослщження на чистому магни.

Для одержання магшевих сплав1в у тигельну п1ч 1ПМ-500 завантажували попередньо нагр1т1 шихтов1 матер1али ! по розплавлент при 650...730 °С переливали у втмн1 тигл! Вшмн1 тигл1 встановлювали в роздавальш печ1, в яких доводили сплав за хтшчним складом ! рафшува-ли флюсом В1-2 при 740...760 °С. Пот1м у розп-лав вводили зростаючу кшьысть вщповщних еле-менпв (0; 0,05; 0,1; 1,0 мас. % — за розрахунком), щд1гр!вали ! при 730 °С заливали ливарн форми для одержання литих зразыв ! виливыв.

Х1шчний склад виливыв з магн1евих сплав!в контролювали за допомогою оптичних ем!с!й-них спектрометр1в «8РЕСТЯОМАХх» ! «ЗРЕСТЯОМАХхР», фотоелектричних спектро-метр1в МФС-8 ! ТФС-36, ЕДРФ спектрометра «8РЕСТЯО ХЕР08».

Макро- ! м!кроструктуру досл!джуваних сплав!в вивчали методами свплово! мжроскопи («№орИо1 32», «ОЬУМР^ IX 70»), а також з використан-ням програмно-апаратного комплексу «Вщеотест-Структура 5.0» на баз! металограф1чного мжрос-копа Ахюуег! 40МАТ. Фрактограф1чний анал1з злам1в зразюв проводили на електронному ска-нувальному мжроскош «18М-6360ЬА».

Х!м!чний анал!з структурних складових маг-н1евих сплав!в вивчали на електронному мжрос-коп1 — м1кроанал1затор1 з енергодисперс1йною приставкою РЕММА 202М ! РЕМ 161.

Кльюсну оцшку структурних складових проводили методом «Л» ! «П» за ГОСТ 1778-70.

Мехашчш властивост! зразюв !з магшевих сплав1в визначалися на розривнш машин1 «INSTRUN» 2801 за ГОСТ 1497-84 ! ГОСТ 2856-79. М!кротверд!сть структурних складових сплав!в вив-чали м!кротвердомером ф1рми «БиеЫег» та ЬМ-700АТ при навантажент 0,1 Н зддно з ГОСТ 9450-76.

а б в

Рис. 1. Макроструктура злам1в зразюв, х5: а — 99,9% Ме; б — МЛ5; в — МЛ5 + 0,1% 2г

Тривалу мщшсть при пщвищених температурах визначали за ГОСТ 9651-84.

Фрактограф1чне дослщження злам1в литих зразюв 1з чистого магнш показало наявшсть крихко! грубокристал1чно1 структури (рис. 1, а). Макроструктура стандартного сплаву МЛ5 (8,8 % А1, 0,35 % Мп, 0,32 % 2п) була помгтно подр1бне-ною (рис. 1, б), а введення легувальних елеменлв у сплав забезпечувало в злам1 матову др1бнокри-стал1чну структуру (рис. 1, в).

Мжроструктура виливюв 1з чистого магнш мала однорщну зернисту будову (рис. 2, а). Мжро-структура виливюв 1з сплаву МЛ5 являла собою 8-твердий розчин з наявшстю евтектики типу 8 + у, розташовано'! по межах зерен, та окремих штерметалщв г (рис. 2, б). Шсля введення обра-них легувальних елеменлв зменшувалася вщстань м1ж осями дендрит1в другого порядку (з 20 до 16 мкм), розм1ри структурних складових (табл. 1) 1 евтектичних угруповань (рис. 2, в).

31 збшьшенням вмюту дослщжуваних елеменлв (в1д 0,05 до 1,0 мас. %) у сплав1 МЛ5 розм1р мжрозерна 1 вщстань м1ж осями денд-рилв 2-го порядку зменшувалися. Легування сплаву МЛ5 А1, 81,8с, Т1, 2п, Ое, У, 2г, Ае, 8п, Ш, ИГ 1 РЬ здр1бнило мжрозерно на 30...40 %, пщвищило мжротвердють структурних складових, сприяло подр1бненню штерметалщних фаз. Вплив елеменлв на подр1бнення зерна посилювався з1 збшьшенням порядкового номера цих елеменлв у пщгрупах Перюдично! системи. При цьому

бшьше подр1бнювали зерно елементи 1Уа пщру-пи: Т1, 2г та ИГ.

У структур! сплаву МЛ5 спостерпалися сферичн та пластинчаст1 1нтерметал1дн1 фази, збагачен1 вщповщними легувальними елементами (табл. 2).

Введення у сплав МЛ5 0,050,1 % дослщжува-них елемешгв штенсивно збшьшувало об'емну частку сферичних штерметалщв 1 незначно — пластинчастих. При вмют1 легувальних елеменлв у сплав1 ~ 1,0 % незначно зростала об'емна част-ка сферичних включень, що знаходилися усере-дит зерна, та штенсивно-пластинчастих. Такий перерозпод1л 1нтерметал1д1в сприяв подр1бненню зерна. 1з зростанням загально! об'емно! частки 1нтерметал1д1в п1двищувалася м1цн1сть металу. Анал1з розподшу штерметалщв за розм1рними трупами показав, що у стандартному сплав1 МЛ5 переважали пластинчаст штерметалщи розм1р-но! групи 4...15 мкм. Сферичш штерметалщи в основному представлен1 розм1рною групою 2,0...7,9 мкм. У магшевому сплав1 дослщжуват легувальт елементи змщали розм1ри включень у б1к менших груп (до 2,0...11,5 мкм — для сферичних 1 2,0...7,9 мкм — для пластинчастих). При пщвищент вмюту легуючих елеменлв у сплав1 збшьшувалася об'емна частка штерметалщв з розм1рами менше 2 мкм 1 зменшувалася об'емна частка штерметалщв розм1рами понад 11,6 мкм. Встановлено, що з1 збшьшенням об'емно! частки штерметалщв (V) у сплав1 МЛ5 (рис. 3) помгтно подр1бнювалося мжрозерно (р1вняння).

Рис. 2. М1кроструктура термооброблених зразюв, х100: а — 99,9% Ме; б — МЛ5; в — МЛ5 + 0,1% 8с

Таблиця 1 — Характеристики структурних складових сплаву МЛ5 з р1зними легувальними еле-ментами

Елемент Вмют , мас. % (разрах.) ® а 1 ^ 8 Ц * & мс •я г X ^ я и ^ -с ст ^ К В & н е « 2 & а '2 я и ^ о и (£ 8 & м т .2 а « Ё р я ^ т, о 2 Елемент Вмiст, мас. % (разрах.) ® а 1 ^ 8 Э * & мс •я г X ^ я ш ^ -с ст ^ К В & н е « 2 & а '2 Я И ^ о и & 8 & м л т .2 а « Й р я ^ т, о 2

Мв (99,9%) 0,05 17 105 1235

-- 40 300 524 гг 0,10 16 100 1265

1,0 16 70 1297

0,046 18 120 1227 0,05 17 110 1256

Ав 0,12 18 100 1357 ИГ 0,10 16 100 1294

0,98 17 90 1390 1,0 15 70 1321

0,32 23 140 1227 0,047 19 130 1276

гп (МЛ5) 0,12 17 120 1313

0,97 18 100 1384 1,05 16 100 1334

0,05 18 120 1465 0,055 19 125 1233

8с 0,10 17 100 1547 Ое 0,095 18 100 1244

1,0 16 90 1675 1,09 17 90 1287

0,05 18 130 1385 0,047 16 125 1283

У 0,10 17 130 1451 8п 0,14 15 100 1293

1,0 17 100 1630 1,15 15 90 1323

0,05 18 120 1290 0,057 18 135 1287

ш 0,10 17 100 1390 РЬ 0,013 16 110 1311

1,0 17 90 1407 0,980 15 80 1343

0,05 18 120 1265

Т1 0,10 16 100 1270

1,0 16 100 1283

Таблиця 2 — Хiмiчний склад штерметалвдв у сплав1 МЛ5, легованому р1зними хiмiчними елемен-тами

Вмют елеменпв, мас. %

Легувальний елемент Мв А1 81 Мп гп Бе

стандартний 81,99 14,85 1,36 1,8 -- --

78,41 % Ая 17,84 2,12 1,33 0,30 -- --

11,35 % гп 47,72 40,78 0,15 -- -- --

32,65 % 8с 33,02 26,87 -- 6,49 0,97

15,74 % У 2,99 34,33 0,58 46,36 -- --

31,26 % ш 22,96 44,25 0,16 1,37 -- --

21,80 % Т1 35,49 21,14 21,57 -- -- --

71,40 % гг 14,77 10,98 1,55 1,30 -- --

1,16 % ИГ 1,27 34,94 2,38 34,67 -- 25,58

52,36 % 81 46,40 1,22 -- 0,02 -- --

19,84 % Ое 60,65 2,68 16,83 -- -- --

12,32 % РЬ 66,46 20,65 0,54 0,03 -- --

26,19 % 8п 68,19 2,96 2,66 -- -- --

1нтерметал1ди, що розташовуються як у сере-дин1 зерна, так 1 на його межах, змщнювали сплав та щцвищували його жаромщшсть. Пластичность сплаву, в залежносп в1д об'емно! частки 1нтерме-талдв, мала нелшшну залежн1сть, яка помпно зрос-тала при об'емн1й частщ 0,35...0,45 % 1 р1зко зни-жувалася при подальшому зб1льшенн1 й (рис. 4).

Встановили, що на властивост1 магниевого сплаву впливала морфология 1 топология 1нтер-металщних фаз. Пластинчасп штерметалщи роз-м1ром менше 8,0 мкм та сферичн1 — до розмру 11,6 мкм позитивно впливали на властивост1 сплаву (табл. 3). Отже, сферична форма штерметалЩв була кращою для п1двищення властивостей сплаву.

у 1

»

£

У \ р 6

Ж ч

Рис. 3. Вплив об'емного вщсотка штерметалвдв (V) на розмр мхкрозерна (йс) у сплава МЛ5

сСр = 180,52 - 0,18. V, г = - 0,82.

ср

Зростання пластичности сплаву спостерк'ало-ся т1льки при вм1сп досл!джуваних елемент1в у юлькосп 0,05...0,1 %, коли збiльшувалася частка сферичних iнтерметалiдiв i подрiбнювалося зерно. При подальшому збiльшеннi вмтсту елеменг1в у сплав1 (до 1,0 %) одночасно з подр1бненням мжрозерна 1стотно зростав об'емний в1дсоток штерметалвдв, що призводило до окрихчування металу 1 зниження його пластичност1.

Вплив досл^джуваних елеменпв на межу мщносп в1д максимального до мiнiмального ви-шикувався у наступний ряд: гг, ИГ, Бс, Кё, 81, Ое, И, Лб, Бп, РЬ, У, ги (рис. 5). При вмтста 0,05...0,1 мас. % елементiв, що вводилися, пвдвищувалась \ пластичность сплаву. Помтно полiпшували пластичность сплаву МЛ5 У, Т1, Бс, ИГ, слабше — Б1, 2П, Ое, ЛБ, БП.

280 270 260 250 240 230

МП а 5, 5,5 5,0 4,5 4.0 3,5 ■ 3,0 150

150 300 450 600 Ух 10

600 500 400 300 200

100 ' 0/л

ОБ / 1

Г..-- ■ ■ \ _5

---

150 300

450 б

600 Ух 10

600 500 400 300 200

100

3 ал

е-, а

О

п

и а

31

о

п

0 %Г Об

%

—

300

450

Б

600 Ух 10

600 500 400 300 200

100

Ц Ип

о

н в

Й

о

п

Рис. 4. Вп^нв об'емного вiдсогка iнгермегалiдiв на властивоста легованого сплаву МЛ5: а — 2г; б — Н; в — Бс

Таблиця 3 — Вплив морфологи ! об'емного ввдсотка штерметалвдв (V) на властивосп сплаву МЛ5 з Ое

Розмiрна група iнтер -металiдiв, мкм Залежностi впливу об'емного проценту штерметалвдв (V) на мщшсть (а8), пластичнiсть (6) i жаромщ-нiсть (х)

Пластинчастi Сферичт

Рiвняння регресп г Рiвняння регресп г

< 2,0 ав = 231,67 + 0,96 V 6 = 2,64 + 0,21 V - 0,005 V2 х = 159,65 + 1,58 V 0,90 0,76 0,82 ав = 236,76 + 0,99 V 6 = 3,50+0,24 V - 0,009 V2 х = 164,30 + 1,62 V 0,88 0,74 0,79

2,0...3,9 ав = 230,03 + 2,16 V 6 = 1,13 + 0,38 V - 0,010 V2 х = 157,25 + 3,82 V 0,95 0,78 0,93 ав = 219,40 + 1,74 V 6 = -13,0+1,14 V - 0,03 V2 х = 145,75 + 3,23 V 0,94 0,71 0,96

4,0...7,9 ав = 225,46 + 1,43 V 6 = 0,57 + 0,33 V - 0,007 V2 х = 153,16 + 2,49 V 0,94 0,78 0,90 ав = 234,44 +10,47 V 6 = 3,24 + 0,005 V2 х = 162,49 + 16,50 V 0,81 0,71 0,70

8,0... 11,5 ав = 250,56 -10,47 V 6 = 4,41 - 0,007 V2 х = 176,51 - 16,50 V -0,81 -0,71 -0,70 ав = 239,06 + 2,64 V 6 = -0,08 + 1,01 V - 0,06 V2 х = 165,70 + 5,17 V 0,75 0,85 0,75

11,6...15,0 ав = 246,30 - 2,59 V 6 = 3,33 + 0,43 V - 0,050 V2 х = 173,31 - 4,77 V -0,76 -0,88 -0,77 ав = 243,67 - 4,97 V 6 = 4,10 - 0,070 У2 х = 170,66 - 9,58 V -0,77 -0,97 -0,81

15,1...19,0 о„ = 246,75 - 7,65 V 6 = 2,55 + 1,05 V - 0,160 V2 х = 173,56 - 13,38 V -0,96 -0,72 -0,93 Вщсугт штерметалщи --

Встановлено, що жаромщшстъ сплаву МЛ5 змшювалася в залежносп в1д температури плав-лення легувальних елеменпв (рис. 6). Олово 1 сви-нець, що мають температуру плавлення нижчу в1д основи сплаву (650 °С), знижували жа-ромiцнiсгъ за рахунок граничних видшень легкоплавких фаз.

На подстав! проведених дослiцженъ було роз-роблено нов! магшеви сплави з тдвищеним рiвнем властивостей, як1 рекомендуються для використання при виробництта сучасних ав1ац1й-них двигушв [5-8].

Вм1ст елеменгiв у сплав1 МЛ5, % а б в

Рис. 5. Вплив легування на мщтсть (а), пластичность (б) та жаромщтсть (в) сплаву МЛ5 (..... — нормативна вимоги

до виливюв з1 сплаву МЛ5)

0, 05 мас. %;

0,1 мас. %

1,0 мас.

05% = 128,72 + 0,015 Гпя + 1,65-Ш-5 Т 2, г = 0,92; 41% = 113,43 + 0,033 Тпё + 2,34-10-5 Г/, 2 г = 0,93; Ч 05% = 128,72 + 0,015 Тш + 1,65-10-5 Тш\ г = 0,92

Рис. 6. Вплив температури плавлення (Тш) легувальних елеменпв сплаву МЛ5 на його жаромщтсть (х)

Висновки

1. Отримано нов! дан1 про вплив легування (А1, 81, Яс, Т1, 2п, Ое, У, 2г, Ая, Яп, Ш, Щ 1 РЬ) магшевих сплавiв на комплексна iнгерметалiцнi фази, що утворюються 1 як1 ввдр^зняються мор-фолопею 1 тополопею. Зазначет легувальн еле-менти на 30...40 % подр1бнювали макро- 1 м1кро-зерно металу та тдвищували м1кротверд1сть структурних складових. 31 зб1лъшенням вм1сту кожного з елемент1в у сплав1 пропорц1йно п1дви-щувалася його мщшсть, але пластичн1сть пол1пшу-валася лише при ¿х вм1ст1 0,05...0,1 мас. %. Сис-тематизоваш експерименталънi даш щодо впли-ву легувальних елеменпв на механ1чн1 власти-вост1 сплаву МЛ5 показали, що помпно змщнювали сплав 2г, Щ Яс, Кё, а пластичтсть п1двищу-вали У, Т1, Ж, Яс.

2. Отримано нов1 залежност1 впливу розмру 1нтерметал1дно1 фази, й морфологи 1 топологи на мехашчш властивост1 виливк1в з магн1евих сплав1в. Експериментально показано, що при вмсп 0,05...0,1 мас. % А, Я, Яс, Т1, 2п, Ое, У, 2г, А& Яп, N6,

Hf i Pb кожного у магшевих сплавах утворю-ються переважно flpiôii côepè4Hi штерметалвди, що подpiбнюють зерно i пвдвищують одночасно мщшстъ i пластичнiсть металу. 3i збiльшeнням BMicTy зазначених елементв у сплавах зростае вмicт iнтepмeталiдiв на межах зерен, що призво-дить до зниження плаcтичноcтi металу.

3. Встановлено вплив вмсту термостшко! штер-металщно! фази, що утворюеться при введенн в магнieвi сплави тугоплавких елеменпв, на жаромщтсть лиття. Показано, що легування сплаву МЛ5 гафнieм шдаишувало його жаpомiцнicть майже у 3 рази, а свинцем, як бшьш легкоплавким, знижувало у 2 рази.

Список лггератури

1. Rourke D. J. Magnesium- current status and future prospects / Rourke D. J. // Proc. Intern. Magnesium Conf. in conjuction with METER 2000 : Magnesium New Business Opportunies. — Brescia. - 2000. - C. 14-23.

2. Настоящее и будущее магниевых сплавов в нашей цивилизации / [X. Диринга, П. Майер, Д. Фехнер и др.] // Литейное производство. — 2006. - №1. - С. 4-7.

3. Юм-Розери. Структура металлов и сплавов / Юм-Розери, В. Рейнор, М. : Металлургиздат, 1959. - 391 с.

4. Даркен Л.С. Физическая химия металлов / Л.С. Даркен, Р.В. Гурри. — М. : Металлургиздат, 1960.- 245 с.

5. Пат. 39357 Украина, МПК С22С 23/00. Ли-варний сплав на основ! магн!ю з п!двище-ною р!динотекуч!стю / Шаломеев В.А., Ци-в!рко Е.1., Лук!нов В.В., Лисенко Н.О.; заявитель и патентообладатель Запорожск. нац. техн. ун-т.; заявл. 28.08.08; опубл. 25.02.09, Бюл. № 4.

6. Пат. 39358 Украина, МПК С22С 23/00. Ливар-ний сплав на основ! магн!ю / Шаломеев В.А., Цишрко Е.1., Лук!нов В.В., Лисенко Н.О., Пархоменко А. В.; заявитель и патентообладатель Запорожск. нац. техн. ун-т.; заявл. 28.08.08; опубл. 25.02.09, Бюл. № 4.

7. Пат. 25055 Украина, МПК С22С 23/00. Сплав на основ! магн!ю / Шаломеев В.А., Цив!рко Е.1., Лук!нов В.В., Лисенко Н.О., Жеманюк П.Д., Клочих!н В. В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Мотор Сич»; заявл. 25.06.07; опубл. 20.12.07, Бюл. № 6.

8. Пат. 25056 Украина, МПК С22С 23/00. Ли-варний сплав на основ! магн!ю / Шаломеев В.А., Цив!рко Е.1., Лук!нов В.В., Лисенко Н.О., Жеманюк ПД., Клочих!н В.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Мотор Сич»; заявл. 25.06.07; опубл. 20.12.07, Бюл. № 6.

Поступила в редакцию 23.05.2011

Шаломеев В.А., Цивирко Э.И., Зеленюк Ю.А. Новые магниевые сплавы с повышенными свойствами для авиадвигателей

Исследовали влияние легирования литого магниевого сплава МЛ-5 на химический состав, структурные составляющие, механические и жаропрочные свойства. Получена зависимость влияния размера интерметалидной фазы, ее морфологии и топологии на механические свойства отливок из магниевых сплавов. Установлено влияние содержания термостойкой интерметалидной фазы, которая образуется при введении в магниевый сплав тугоплавких элементов, на жаропрочность литья.

Ключевые слова: магниевый сплав, химический состав, микролегирование, интерметалид, механические свойства, жаропрочность.

Shalomeyev V., Tsivirko E., Zelenyuk Yu. New magnesium alloys with povyschennymi by properties for aero-engines

The influence of doping cast magnesium alloy Ml-5 on the chemical composition, composes the structural, mechanical and heat-resistant properties. The dependence of the effect size intermetallw phase, its morphology and topology on the mechanical properties of castings of magnesium alloys. The influence of the content of heat-resistant intermetallw phase, co-Thoraya formed by the introduction of magnesium alloy melting of elements, resistance to high temperature casting.

Key words: magnesium alloy, chemical composition, microalloying, intermetallw, mechanical properties, hot-resistance.