RU2678111C1 - METHOD FOR PROCESSING MAGNESIUM ALLOY OF Mg-Y-Nd-Zr SYSTEM BY EQUAL CHANNEL ANGULAR PRESSING - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, in particular to the thermomechanical processing of magnesium-based alloys, and can be used in aircraft manufacturing, rocket technology, in the construction of automobiles, good biocompatibility allows the use of magnesium alloys in medicine. Method of thermomechanical treatment of magnesium-based Mg-Y-Nd-Zr system includes homogenizing annealing at a temperature of 500–530 °C for 7–9 hours, followed by air cooling and equal channel angular pressing, which is carried out in steps in the temperature range of 425–300 °C with a total true degree of deformation of 6.0–8.0, equal channel angular pressing at each stage is carried out at a temperature of 25 °C below the temperature of the previous stage to obtain a structure consisting of grains less than 1 micron in size.EFFECT: technical result of the invention is to increase the plasticity of the Mg-Y-Nd-Zr system alloys while maintaining sufficient strength due to the change of the preferred deformation mechanism from the base to the prismatic slip.1 cl, 1 ex

Description

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.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the thermomechanical processing of magnesium-based alloys, and can be used in the aircraft industry for the manufacture of various parts of helicopters and aircraft, in rocket technology, for example, for the manufacture of rocket bodies, fairings, etc., in structures cars. Good biocompatibility allows the use of magnesium alloys in medicine.

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.However, magnesium alloys have several disadvantages. Due to the hexagonal structure, magnesium alloys have low ductility and, accordingly, low manufacturability. Diffusion processes in magnesium alloys proceed slowly, especially in low-alloyed magnesium alloys, and therefore, they need to be heated for a long time under quenching, which complicates their heat treatment and leads to recrystallization grain growth and lower strength.

Известны попытки измельчения структуры магниевых сплавов с помощью методов интенсивной пластической деформации, в частности равноканального углового прессования (РКУП).Known attempts to grind the structure of magnesium alloys using methods of intense plastic deformation, in particular equal channel angular pressing (ECAP).

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.Thus, there is a known method for producing biodegradable magnesium alloys containing yttrium and neodymium, including alloy smelting and equal channel angular pressing in two stages, the first stage being carried out at a temperature between 250 ° C and 400 ° C, and the second stage is carried out at a temperature between 150 ° C and 300 ° С (US 20170056562 A1, C22F 1/06, 03/02/2017, US 20150157767 A1, С22С 1/06, 06/11/2015, US 9522220 B2, C22F 1/06, 12/20/2016). The resulting alloy has good strength, but low ductility due to the introduction of ceramic nanoparticles. Low ductility will significantly limit the scope of the alloy.

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.A known method of producing a magnesium alloy of the Mg-RZM-Zr series, including solid solution treatment at a temperature of 300-500 ° C, preliminary deformation, forming a structure with a grain size of about 100 μm, and equal-channel angular pressing to obtain a structure with a grain size of 100-450 nm (CN 104480330 A, C22F 1/06, 04/01/2015). The method allows you to significantly grind the structure of the alloy and increase its strength, however, the increase in ductility of the alloy is difficult due to the uneven distribution of intermetallic phases formed by magnesium and rare-earth metals. Low ductility in itself is a disadvantage that limits the possibility of using the alloy. In addition, unevenly distributed phases cannot guarantee the stability of the corrosion properties of the obtained alloys over the entire surface of the product, which will lead to uneven corrosion and, ultimately, anisotropy of properties during operation.

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.From RU 2351686 C1, C22F 1/06, 04/10/2009, there is also known a method for thermomechanical processing of magnesium-based alloys, including homogenizing annealing at a temperature of 415-520 ° C for 4-24 hours, followed by extrusion at a temperature of 300-450 ° C with a draw ratio of 7-18 and equal channel angular pressing with a true degree of deformation of 6-8 (RU 2351686 C1, C22F 1/06, 04/10/2009). The specified method is the closest to the proposed invention. Despite the significant refinement of the structure, magnesium alloys of the Mg-Y-Nd-Zr system obtained by the above technology have low ductility, which is caused by the uneven distribution of the precipitated Mg ₄₁ Nd ₅ phase, which inhibits the basis slip. In addition, the above scheme is proposed for processing alloys with a low content of alloying elements. The application of this scheme, which implies ECAP at temperatures of 250-320 ° C without gradually lowering the temperature, to magnesium alloys of the Mg-Y-Nd-Zr system will lead to a significant decrease in ductility already during processing, which will lead to destruction of the workpiece.

Настоящее изобретение направлено на разработку технологии получения магниевых сплавов системы Mg-Y-Nd-Zr, обладающих необходимым сочетанием прочности и пластичности.The present invention is directed to the development of a technology for producing magnesium alloys of the Mg-Y-Nd-Zr system having the necessary combination of strength and ductility.

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.The technical result of the invention is to increase the ductility of the alloys of the Mg-Y-Nd-Zr system while maintaining sufficient strength by changing the preferred deformation mechanism from basic to prismatic sliding.

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.The technical result is achieved in that in the method of thermomechanical processing of an alloy based on magnesium of the Mg-Y-Nd-Zr system, including homogenizing annealing of the alloy and equal channel angular pressing, homogenizing annealing is carried out at a temperature of 500-530 ° C for 7-9 hours, followed by cooling in air, and equal-channel angular pressing is carried out stepwise in the temperature range 425-300 ° C with a total true degree of deformation of 6.0-8.0, while equal-channel angular pressing at each stage is carried out at a temperature 25 ° C lower than the temperature of the previous step to obtain a structure consisting of grains less than 1 μm in size.

Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.

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.Homogenization at a temperature of 500-530 ° C allows you to get a fairly uniform structure before deformation, to eliminate the heterogeneity of the alloy composition after casting, as well as to obtain a supersaturated solid solution of rare-earth metals in magnesium. Lowering the homogenization temperature below 500 ° C leads to incomplete dissolution of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase, the residues of which will be located along the boundaries of the initial grain and weaken the mechanical properties, as well as to a slight supersaturation of the magnesium solid solution with rare-earth metals, which in the final alloy structure will lead to a decrease in the amount dispersed particles of Mg ₄₁ Nd ₅ and, accordingly, a decrease in strength. An increase in the homogenization temperature above 530 ° C leads to a partial melting of the grain boundaries, which also affects the strength of the alloy.

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.Carrying out homogenizing annealing for 7–9 hours allows one to efficiently dissolve the Mg ₄₁ Nd ₅ phase and also achieve uniform distribution of alloying elements in the alloy. Homogenization less than 7 hours will lead to incomplete dissolution of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase, and an increase in time over 9 hours will lead to a strong grain growth. Both factors significantly reduce the ductility of the alloy.

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.The cooling rate in air makes it possible to suppress diffusion processes in the alloy and prevent the decomposition of the supersaturated solid solution, which affect the achievement of the required ductility of the alloy. A decrease in the cooling rate will lead to a partial precipitation of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase during cooling, mainly along the boundaries, and to a decrease in the degree of supersaturation of the magnesium solid solution, and, consequently, to a decrease in the ductility of the alloy.

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.It was experimentally established that the deformation temperature in the range of 425-300 ° C allows you to achieve effective grinding of grain. An increase in the temperature of the onset of ECAP above 425 ° C will lead to an active growth of grain. Lowering the temperature of the end of ECAP below 300 ° C promotes the activation of twinning, which ultimately reduces the ductility of the alloy. In addition, in this case, a decrease in the ductility of the alloy can lead to destruction of the samples during processing.

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.The deformation in the range of 6.0-8.0 allows you to get the output predominantly grain ultrafine structure. A decrease in the degree of deformation below 6.0 contributes to the formation of an undeveloped predominantly subgrain structure with a high proportion of small angle boundaries. An increase in the degree of deformation above 8.0 does not make sense, since it does not lead to further grain refinement and an increase in the share of high-angle boundaries.

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.Deformation during ECAP with a temperature step equal to 25 ° C is explained by the following. Lowering the ECAP temperature by 25 ° C leads to an increase in the strength of the alloy due to the gradual refinement of grain, and intermediate heating between deformation passes leads to relaxation of the structure during processing, which does not allow ductility to fall. In addition, such a deformation step makes it possible to obtain uniformly distributed fine particles of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase. A decrease in this parameter will lead to an increase in the number of intermediate heatings, which in turn contributes to a decrease in the dislocation density, grain growth and coarsening of particles of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase, which will subsequently lead to a decrease in strength. An increase in the temperature step of deformation does not allow sufficient relaxation of the structure between ECAP passes , which will negatively affect the ductility of the alloy.

Пример осуществления изобретения.An example embodiment of the invention.

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.The alloy WE43 of the composition Mg-3.56% Y-2.20% Nd-0.47% Zr was subjected to treatment. In the initial state, the alloy was homogenized at a temperature of 525 ° C for 8 hours and cooled in air. Billets with a diameter of 10 mm and a length of 60 mm were cut from an ingot. The billets were deformed by the method of equal channel angular pressing (ECAP) along the route Bs at the installation with a channel intersection angle of 120 °. Deformation was carried out according to two technological modes. The true degree of deformation and the total number of passes were 7.8 and 12, respectively, for both modes.

Режим обработки магниевого сплава системы Mg-Y-Nd-Zr.The processing mode of the magnesium alloy of the Mg-Y-Nd-Zr system.

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).The alloy was processed in two technological modes. Mode 1 is to deform the alloy at a temperature of 400 ° C for 6 ECAP passes, and then lower the processing temperature by 50 ° C to 350 ° C, and conduct another 6 ECAP passes. Mode 2 consists in stepwise deformation, starting from a temperature of 425 ° C and ending at a temperature of 300 ° C, with a step of lowering the temperature of 25 ° C. Moreover, at each deformation temperature, 2 ECAP passes are performed (425 ° С, 2 passes → 400 ° С, 2 passes → 375 ° С, 2 passes → 350 ° С, 2 passes → 325 ° С, 2 passes → 300 ° С, 2 passes).

Деформирование по обоим режимам привело к измельчению структуры. В исходном состоянии средний размер зерна составлял 70 мкм.Deformation in both modes led to a refinement of the structure. In the initial state, the average grain size was 70 μm.

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.Mode 1 (prototype). After ECAP in mode 1, a structure is formed with an average grain size of 1.00 ± 0.14 μm, as well as particles of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase with an average size of 0.41 ± 0.18 μm, which were formed during heating under processing and deformation. The texture from the base is transformed into a tilted base. This texture is characteristic of magnesium alloys deformed by ECAP and, as a whole, leads to an increase in ductility with little change, and sometimes deteriorating even with strong grinding of grain strength. The change in mechanical properties after ECAP according to regime 1 relative to the initial state is: the conditional yield strength varies from 150 to 180 MPa, the tensile strength from 220 to 250 MPa, and the relative elongation from 10.5 to 7%. In this case, the formation of an inclined basis texture does not lead to an additional increase in plasticity due to the deposition of particles of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase in the basal planes and the inhibition of the basis slip.

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.Mode 2 (according to the invention). After ECAP in mode 2, a structure is formed with an average grain size of 0.69 ± 0.13 μm, as well as particles of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase with an average size of 0.45 ± 0.18 μm, which were formed during heating for processing and deformation. Also, during the deformation, an acute prismatic texture is formed (which is confirmed by pole figures and values of orientation factors). The increase in mechanical properties after ECAP in mode 2 relative to the initial state is: the conditional yield strength varies from 150 to 260 MPa, the tensile strength from 220 to 300 MPa, and the relative elongation from 10.5 to 13.2%. The increase in strength occurs due to the grinding of grain. Plasticity increases due to the transformation of the texture from the base in the initial state to the acute prismatic. This texture is not typical for magnesium alloys after ECAP, since an inclined base texture is usually formed as in the case of mode 1. However, during thermomechanical processing according to the claimed technology, particles of the Mg ₄₁ Nd ₅ phase are deposited in the basal planes, which inhibits the movement of dislocations in them and leads to activation of prismatic slip, which in turn leads to an increase in elongation.

Claims (1)

Способ термомеханической обработки сплава на основе магния системы Mg-Y-Nd-Zr, включающий гомогенизирующий отжиг сплава и равноканальное угловое прессование, отличающийся тем, что 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°С 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.Method for thermomechanical treatment of magnesium-based alloy of Mg-Y-Nd-Zr system, including homogenizing annealing of the alloy and equal channel angular pressing, characterized in that homogenizing annealing is carried out at a temperature of 500-530 ° C for 7-9 hours, followed by cooling in air and equal-channel angular pressing is carried out stepwise in the temperature range 425-300 ° C with a total true degree of deformation of 6.0-8.0, while equal-channel angular pressing at each stage is carried out at a temperature of 25 ° C below the temperature the previous step to obtain a structure consisting of grains less than 1 μm in size.