Диаграммы состояния магниевых сплавов с литием

Магниевые сплавы являются самым легким металлическим конструкционным материалом (удельный вес около 1,8 г/см3). Легирование магния литием позволяет получить сверхлегкие сплавы (у = 1,3—1,6 г/см 3), которые особенно необходимы для дальнейшего развития новой техники.

В настоящее время в промышленность внедряются высоколегированные магниево-литиевые сплавы. В их состав входят алюминий, цинк, олово, кадмий, марганец и другие элементы, которые способствуют получению высокой прочности, пластичности и коррозионной стойкости. Повышение прочностных характеристик связано с легированием магниевого и литиевого твердых растворов и упрочняющим влиянием выделяющихся фаз. При разработке новых сплавов, внедрении их в промышленность и выборе технологии производства необходимо знание диаграмм состояния, которые служат теоретической основой современного металловедения.

Изучение диаграмм состояния обычно проводят от бинарных систем к более сложным. Диаграмма состояния системы Mg—Li хорошо известна (рис. 1, а). Магний с литием взаимодействуют по эвтектической реакции при 588°. В магнии растворяется 5,5 вес. % Li, граница а-магниевого твердого раствора не изменяется с понижением температуры. В литии при эвтектической температуре растворяется 91,5% Mg, ниже 500° растворимость составляет 89 вес.% Mg.

Из тройных систем изучены диаграммы состояния Mg — Li — Ag, Mg — Li — Zn, Mg — Li — Cd, Mg — Li — Al, Mg — Li — Sn и Mg — Li — Zr (рис. 1,6 — ж). В указанных системах ограничена область а-магниевого твердого раствора и изучены фазовые равновесия в богатых магнием сплавах. В зависимости от характера взаимодействия третьего элемента с магнием и литием в тройных системах образуются или не образуются тройные интерметаллические фазы. Например, магний с кадмием взаимодействуют с образованием непрерывного ряда твердых растворов, литий с магнием не образуют интерметаллических фаз и в тройной системе Mg — Li — Cd новые интерметаллические фазы также отсутствуют. В тех двойных системах, где магний и литий образуют интерметаллические фазы с различной структурой, т. е., видимо, с различным характером химической связи, создается возможность для сложных взаимодействий в тройных системах, т. е. для возникновения тройных интерметаллических фаз; такие фазы образуются в системах Mg — Li — Zn — фаза MgLiZn (0), Mg — Li — Sn — фаза MgLi2Sn (х) и Mg — Li — Al — фаза MgLiAl2. Присутствие таких фаз может значительно изменять область магниевого твердого раствора, что особенно хорошо видно на примере системы Mg — Li — Sn. Между точками тройного насыщения а1 и а2, т. е. на границе a-фазы и области a + MgLi2Sn(х), имеется значительная вогнутость области а-магниевого твердого раствора.

Следует отметить также степень влияния легирующих элементов на величину области магниевого твердого раствора и степень взаимного влияния легирующих элементов па растворимость их в твердом магнии. Растворимость лития в магнии мало меняется от введения цинка, кадмия, алюминия и олова в соответствующих тройных системах, а серебро и цирконий снижают растворимость лития в магнии. Растворимость серебра в магнии несколько повышается в присутствии лития. В системах Mg — Li — Zn и Mg — Li — Cd литий мало влияет на растворимость третьего элемента в магнии. В системах Mg — Li — Sn, Mg — Li — Al и Mg — Li — Zr растворимость олова (особенно при 400°), алюминия и циркония снижается в присутствии лития. Особый интерес для практики представляет область магниевого твердого раствора. В тройных системах, в которых не образуются тройные интерметаллические фазы, находящиеся в равновесии с магниевым твердым раствором, величина области магниевого твердого раствора, как правило, определяется растворимостью элементов в двойных системах. Там, где взаимодействие легирующих компонентов в тройных сплавах велико и образуются тройные фазы, находящиеся в равновесии с магниевым твердым раствором, область магниевого твердого раствора может заметно изменяться, как это и происходит в системе Mg — Li — Sn.

Следующим шагом на пути исследования практически важных диаграмм состояния является исследование четверных систем. Среди магниево-литиевых диаграмм изучена только система Mg — Li — Sn — Al в богатой магнием области. Нами построены сечения изометрических тетраэдров при температурах 400, 300 и 200° С с постоянным содержанием алюминия (1 и 5 вес. %) в пределах по Li до 18 вес. % и по олову до 9 вес.%, т. е. в области составов, находящих промышленное применение. Новых интерметаллических фаз в изученной области не обнаружено. Фазовые равновесия определяются взаимодействием фаз тройных систем, образующих магниевый угол четверной системы Mg — Li — Sn — Al.

Сечения системы с 1 и 5 вес. % Al при 400° по характеру фазовых равновесий аналогичны системе Mg — Li — Sn. При понижении температуры отжига до 300 и 200° в сплавах с 1 вес. % Al появляется фаза AlLi, а в сечениях с 5 вес. % Al появляются две новые фазы: AlLi и Mg17Al12. Строение указанных сечений отображено на рис. 2.

Область магниевого твердого раствора сужается при понижении температуры изотермического отжига и при повышении концентрации алюминия в сплавах. В сечении с 5 вес. % Al при 200° область магниевого твердого раствора отсутствует. Олово не изменяет растворимость лития в магниевоалюминиевых сплавах, а литий снижает в них растворимость олова.

Традиционный металловедческий путь исследования диаграмм состояния металлических систем от простых к более сложным очень длителен по времени, связан с большим объемом исследований, большими материальными затратами, а главное, отстает от разработки современных многокомпонентных сплавов. Поэтому выбор составов сложных сплавов производится главным образом эмпирическим путем или с применением математического метода планирования эксперимента. В настоящее время исследование многокомпонентных систем скорее исключение, чем правило. Как отмечалось выше, среди магниево-литиевых систем изучена лишь одна четверная система, а в промышленности используются 6—7-компонентные сплавы, следовательно, необходимы и столь сложные диаграммы состояния, к исследованию которых традиционным путем подойти достаточно трудно.

Еще в 1971 г., открывая V Всесоюзное совещание по диаграммам состояния, академик Н.В. Агеев говорил: «...несмотря на то, что наша страна занимает по количеству исследованных диаграмм состояния одно из ведущих мест, темпы развития отечественной промышленности и науки таковы, что экспериментальные исследования диаграмм состояния все еще отстают от требований техники. В связи с этим особенно важно... развитие математических методов анализа и расчет диаграмм состояния, а также методов прогнозирования с помощью ЭВМ».

Один из выходов из создавшегося положения видится в применении современных методов планирования эксперимента к исследованию многокомпонентных систем. В Московском государственном университете разработан новый способ планирования эксперимента для построения фазовых границ в многокомпонентных системах с аналитическим описанием фазовых границ. Графическое изображение наглядно и привычно для изображения двойных, тройных и четверных систем. Ho графическое построение более сложных систем невозможно в трехмерном пространстве, поэтому обычно мы пользуемся построением сечений с постоянным содержанием компонентов в условных координатах с углом 60°, вследствие чего графическое изображение многокомпонентных систем теряет наглядность и, самое главное, несет ограниченную информацию.

Аналитический способ позволяет получить информацию о строении системы в любой точке с наперед заданной точностью. Разработанный метод использует симплекс-решетчатое планирование с описанием изучаемого свойства моделями в виде приведенных полиномов Шеффе. Этот способ использован нами для построения фазовых границ в системe Mg—Li—Cd—Al, исследование которой проводится параллельно методами построения сечений изотермических тетраэдров и методом планирования эксперимента. Получены результаты о границе области а-магниевого твердого раствора в изотермическом тетраэдре при 400°, построенной с помощью метода планирования эксперимента. В качестве функции отклика выбрано содержание магния (n) в насыщенном твердом растворе. Факторами служили отношения легирующих компонентов Al: Li — Cd. Указанные отношения являются постоянными на лучах из магниевого угла и могут быть заданы координатами следа луча на (k—1)-мерном симплексе, в нашем случае на треугольнике Al—Li—Cd. Поскольку отсутствовали предварительные сведения о строении а-магниевого твердого раствора в системе Mg — Li — Cd — Al, было решено приближать искомую поверхность последовательно моделями второго, третьего и четвертого порядков. Поэтому на симплексе выбраны координаты 22 точек, являющихся общими для планов второго, третьего и четвертого порядков и дающих возможность усложнять модели без проведения дополнительных исследований.

В табл. 1 приведена матрица планирования для построения поверхности магниевого твердого раствора в изотермическом тетраэдре при 400°.

В табл. 1 приведены литературные данные по двойным и тройным системам, а также новые экспериментальные данные по четырем лучам в системе Mg — Li — Cd — Al.

Был произведен последовательный расчет моделей второго, неполной третьей степени, третьего и четвертого порядков. В табл. 2 приведены расчетные и экспериментальные данные для содержания легирующих элементов по лучам с постоянным содержанием Li : Al : Cd, равным 1:1:1, 1:1:2, 2:1:1 и 1:2:1

Проверка моделей по критерию Стьюдента показала, что лишь модель четвертого порядка адекватна и с необходимой точностью (доверительный интервал ±0,49% для 5%-ного уровня значимости) описывает область магниевого твердого раствора в системе Mg—Li—Cd—Al.

Уравнение регрессии для модели четвертого порядка записывается:

По этому уравнению может быть вычислена концентрация насыщенного магниевого твердого раствора в любой точке изотермического тетраэдра при 400°. На рис. 3 показана область магниевого твердого раствора в богатой магнием части системы Mg—Li—Cd—Al. Строго говоря, поверхность растворимости должна описываться не одним уравнением, а, согласно принципу соответствия, таким числом уравнений, сколько фаз находится в равновесии с магниевым твердым раствором, и это будет возможно после определения фазовых полей системы.

Как показал опыт расчета различных систем, в подавляющем большинстве случаев для практических целей поверхность растворимости может быть описана одним уравнением.

В заключение следует отметить, что примененный способ значительно сокращает время и объем эксперимента, позволяет с наперед заданной точностью рассчитывать границы фазовых полей. Из-за резкого сокращения объема эксперимента создается возможность исследовать сразу 6—7-компонентные системы, лежащие в основе промышленных сплавов.