Введение

Магниевые сплавы находят широкое применение в авиационной, автомобильной, транспортной и оборонной промышленности благодаря низкой плотности, высокой удельной прочности и способности существенно снижать массу конструкций [1]. Тем не менее сложная форма отливок и особенности литейных процессов нередко приводят к возникновению металлургических дефектов, таких как поры, раковины, надрывы, области недолития и шлаковые включения [2]. Наличие подобных дефектов снижает эксплуатационную надежность изделий и требует применения эффективных технологий их устранения [3–5].

Традиционные методы ремонта, в частности сварка, не всегда позволяют получить необходимый уровень механических и эксплуатационных свойств из-за склонности магниевых сплавов к образованию горячих трещин и изменению структуры [6–8]. Среди современных подходов перспективным является холодное газодинамическое напыление (ХГН) порошковых композиций (ПК) [9–13]. Этот процесс обеспечивает минимальное тепловое воздействие на основной материал, исключает термические деформации и позволяет восстанавливать дефектные области с сохранением свойств магниевых сплавов [14–16] . Несмотря на наличие патентов и отдельных исследований, остается актуальной задача подбора эффективных составов порошков, оптимизации технологии ХГН и комплексной оценки свойств восстановленных участков [17–19].

Цель исследования – разработка эффективных составов и технологии ХГН для восстановления дефектных участков магниевых литейных сплавов, а также комплексная оценка их механических, коррозионных и адгезионных свойств.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 10.10. «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии изготовления деформируемых полуфабрикатов и фасонных отливок из магниевых и алюминиевых сплавов».

Материалы и методы

Для устранения дефектов получали ПК методом распыления (атомизации) и последующего механического легирования. Фракционный состав порошков оптимизировали с помощью аэродинамической сепарации и просева. Исправление дефектов на заготовках и образцах из магниевых сплавов проводили с использованием фракции ПК с размером частиц до 10 мкм. Для отливок из магниевых сплавов ПК по размеру частиц разделены на два класса: первый – до 10 мкм, второй – от 10 до 63 мкм.

Для исправления литейных дефектов и дальнейших исследований выбраны ПК, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Порошковые композиции (ПК) для заготовок,

образцов и отливок из магниевых сплавов

В качестве объектов исследования использованы литейные магниевые сплавы марок ВМЛ18 (система Mg–Al–Zn), ВМЛ20 (система Mg–Zn–Zr) и ВМЛ26 (система Mg–РЗМ–Zr), выплавленные на индукционной плавильной установке с характерными литейными дефектами (типа пор, раковин). Модельные дефекты формировали в заготовках путем сверления отверстий диаметром 2,5–8,5 мм и глубиной до 3 мм, а также вырезания канавок размером 40×3 мм и глубиной 1,0–1,5 мм (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Эскиз (а) и изготовленные образцы для проведения механических испытаний до (б) и после (в) напыления порошковой композиции

Рис. 2. Изготовленные образцы диаметром 50 мм и толщиной 5 мм для проведения коррозионных испытаний и исследования адгезии лакокрасочного покрытия до (а) и после (б) напыления порошковой композиции

Восстановление проводили методом ХГН с использованием различных ПК на основе систем Al–Mg–Si, Al–Mg–Si–Ti, Al–Mg–Y, Al–Mg–Gd и Al–Mg–Zr. Проведен комплекс исследований: микроструктура изучена с помощью металлографии и оптической микроскопии, механические свойства при растяжении – по ГОСТ 1497–2023, адгезия лакокрасочного покрытия (ЛКП) – по ГОСТ 31149–2014, коррозионная стойкость (испытания в камере соляного тумана (КСТ)) – по ГОСТ 9.912–89.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Исправление литейных дефектов на заготовках и образцах

На основании опыта НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в области исправления литейных дефектов методом ХГН с использованием серийных ПК подобраны технологические параметры нанесения выбранных ПК на полученные заготовки из литейных магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26.

Определено качество нанесения ПК различных систем на заготовки. В процессе отработки выявлено, что ПК напылялись на заготовки равномерным слоем, с хорошей адгезией без внешних признаков отслаивания и трещин.

Проведено исправление литейных дефектов на заготовках из литейных магниевых сплавов марок ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 методом ХГН с использованием выбранных ПК.

Для оценки применения технологии ХГН для исправления большой площади дефектов на круглых образцах вырезали канавки размером 40×3 мм, глубиной 1,0–1,5 мм. На углубления напыляли ПК, затем зачищали заподлицо с целью придания образцам одинаковой толщины.

Исследованы микроструктуры (рис. 3–5) участков образцов из сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26, подвергнутых ХГН, на металлографическом комплексе при увеличениях ×(50–500).

Рис. 3. Микроструктуры образцов из сплава ВМЛ18 с нанесенными порошковыми композициями (фракция частиц размером <10 мкм) составов 1 (а) и 2 (б)

Рис. 4. Микроструктуры образцов из сплава ВМЛ20 с нанесенными порошковыми композициями (фракция частиц размером <10 мкм) составов 3 (а), 4 (б) и 5 (в)

Рис. 5. Микроструктуры образцов из сплава ВМЛ26 с нанесенными порошковыми композициями (фракция частиц размером <10 мкм) составов 3 (а), 4 (б) и 5 (в)

Установлено, что на образцах с напылением ПК составов 1, 3–5 на сплавах ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 порошок плотно прилегает к основному металлу, местами диффундируя в верхний слой основного материала. При использовании ПК состава 2 на границе «порошок–основной металл» выявлены пустоты, что в дальнейшем может привести к отслоению порошка при обработке и нанесении ЛКП.

В табл. 2 приведены механические свойства (σ_в, σ_0,2) образцов из магниевых сплавов марок ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с устраненными литейными дефектами и без дефектов.

Таблица 2

Механические свойства образцов из литейных магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20

и ВМЛ26 с устраненными дефектами и без дефектов

По результатам исследования установлено, что соотношение прочностей образца с напылением и основного материала превышает 0,85 для образцов с ПК составов 1 (для сплава ВМЛ18), 4 (для сплава ВМЛ20) и 5 (для сплава ВМЛ26). Для всех остальных образцов это соотношение составило ≤0,85, разрушение образцов происходило в местах напыленных дефектов. Соотношение прочностей является ключевым показателем успешности ремонта мест с дефектами.

Проведены испытания коррозионной стойкости образцов из магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с участками, подвергнутыми ХГН, и с нанесенными на них ЛКП в КСТ в течение 720 ч (1 мес.).

Установлено, что на поверхности образцов из сплавов ВМЛ18 с напылением ПК состава 2 (Al–Mg–Si–Ti) и ВМЛ20 c напылением ПК состава 3 (Al–Mg–Gd) наблюдаются очаги коррозии, что приводит к ухудшению коррозионных свойств (рис. 6). Очаги коррозии образуются в результате разрушения ЛКП и проникновения агрессивной среды к поверхности образца. Коррозионные поражения преимущественно возникают на основном материале (вне зоны напыления).

На остальных образцах коррозионных поражений не обнаружено.

Рис. 6. Образцы из магниевых сплавов после испытания на коррозионную стойкость в камере соляного тумана без коррозионных поражений (а) и с очагом коррозии (б). Места напыления указаны стрелками

Для исправления дефектов отливок можно рекомендовать использование ПК состава 1 (Al–Mg–Si) для сплавов системы Mg–Al–Zn, составов 4 (Al–Mg–Y) и 5 (Al–Mg–Zr) – для сплавов системы Mg–Zn–Zr, составов 3 (Al–Mg–Gd), 4 (Al–Mg–Y) и 5 (Al–Mg–Zr) – для сплавов системы Mg–РЗМ–Zr.

Самое критичное свойство при использовании ХГН – адгезия. Проведены исследования адгезии ЛКП образцов из магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с исправленными дефектами (рис. 7). На образцы, подвергнутые предварительному химическому оксидированию, наносили ЛКП (один слой эмали ЭП-076 и два слоя эмали ЭП-140) в соответствии с ГОСТ 15140–78. Адгезия ЛКП для всех исследованных образцов составила 1 балл.

Рис. 7. Образцы из магниевых сплавов ВМЛ18 (а), ВМЛ20 (б) и ВМЛ26 (в) после испытаний на адгезию

По результатам комплекса исследований для литейного магниевого сплава системы Mg–Al–Zn выбрана ПК состава 1, системы Mg–Zn–Zr – состава 4, системы Mg–РЗМ–Zr – состава 5. Определены также технологические параметры изготовления ПК из литейных магниевых сплавов.

Составам ПК, выбранным для магниевых сплавов систем Mg–Al–Zn, Mg–Zn–Zr и Mg–РЗМ–Zr, присвоены марки ВПХ-М1, ВПХ-М2 и ВПХ-М3 соответственно.

Исправление литейных дефектов на отливках

С использованием установки ДИМЕТ модели 405 проведено исправление литейных дефектов методом ХГН на отливках из литейных магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с применением ПК первого и второго классов марок ВПХ-М1, ВПХ-М2 и ВПХ-М3 соответственно. Процесс напыления ПК проходил штатно, порошки ложились ровным слоем, сопло установки не забивалось.

Исследованы микроструктуры образцов, вырезанных из отливок из магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с устраненными литейными дефектами с применением ПК марок ВПХ-М1, ВПХ-М2, ВПХ-М3 и без дефектов (рис. 8–10).

Проведенные металлографические исследования показали, что при использовании оптимальных ПК (ВПХ-М1, ВПХ-М2, ВПХ-М3) достигается плотное сцепление напыленного материала с основой, отсутствуют поры, трещины и другие дефекты на границе раздела, наблюдается частичная диффузия элементов порошка в подложку. Для ряда альтернативных составов аналогичные результаты не выявлены, присутствуют определенная рыхлость слоя и склонность к отслоению.

Рис. 8. Микроструктуры образцов из сплава ВМЛ18 без дефектов (а) и с нанесенной порошковой композицией марки ВПХ-М1 первого (б, в) и второго (г, д) классов

Рис. 9. Микроструктуры образцов из сплава ВМЛ20 без дефектов (а) и с нанесенной порошковой композицией марки ВПХ-М2 первого (б, в) и второго (г, д) классов

Рис. 10. Микроструктуры образцов из сплава ВМЛ26 без дефектов (а) и с нанесенной порошковой композицией марки ВПХ-М3 первого (б, в) и второго (г, д) классов

В табл. 3 приведены результаты исследования механических свойств (σ_в, σ_0,2) образцов, вырезанных из отливок из магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с устраненными литейными дефектами и без дефектов. 

Таблица 3

Механические свойства образцов, вырезанных из отливок из литейных магниевых

сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с устраненными дефектами и без дефектов

Механические испытания показали, что для всех исследованных сплавов выбранные ПК обеспечивают прочность наплавленного участка ≥85 % от прочности исходного материала.

Проведены испытания на коррозионную стойкость образцов (18 шт.) из отливок из магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с участками, подвергнутыми ХГН, и с нанесенными на них ЛКП в КСТ в течение 720 ч (4 недели).

Испытания восстановленных образцов продемонстрировали, что применение рекомендованных составов ПК обеспечивает полное отсутствие коррозионных поражений в зонах ремонта даже после 720 ч экспозиции в КСТ (рис. 11).

Рис. 11. Образцы после испытаний на коррозионную стойкость сплавов в камере соляного тумана до (а) и после (б–г) напыления. Места напыления указаны стрелками

Исследована адгезия ЛКП. Образцы из отливок из магниевых сплавов ВМЛ18, ВМЛ20 и ВМЛ26 с исправленными дефектами подвергнуты химическому оксидированию, на них нанесены ЛКП (один слой эмали ЭП-076 и два слоя эмали ЭП-140). Адгезию ЛКП испытывали по методу решетчатых надрезов (рис. 12).

Рис. 12. Образцы из отливок из магниевых сплавов ВМЛ18 (а), ВМЛ20 (б) и ВМЛ26 (в) после испытаний

Оценка адгезии ЛКП показала, что применение ПК марок ВПХ-М1, ВПХ-М2 и ВПХ-М3 позволяет достичь максимального балла по шкале ГОСТ 15140–78, что гарантирует качественную подготовку поверхности под лакокрасочные и антикоррозионные покрытия на дефектных участках.

Заключения

Таким образом, разработанные составы ПК и метод ХГН позволяют эффективно и технологично восстанавливать литейные дефекты изделий из магниевых сплавов.

Технология ХГН с использованием разработанных ПК обеспечивает сохранение механических и коррозионных характеристик, а также высокую адгезию защитных покрытий.

Результаты работы можно использовать для совершенствования ремонтных технологий в промышленности. Перспективными направлениями дальнейших исследований являются масштабирование процесса для крупногабаритных изделий и расширение спектра применяемых систем ПК.