Существующая проблема. Магниевые лигатуры с редкоземельными металлами, в частности с иттрием, в настоящее время находят свое применение в производстве магниевых и алюминиевых сплавов, которые в свою очередь, широко используются в авиастроении, ракетостроении и автомобилестроении. Статья посвящена изучению особенностей процесса синтеза тройных магниевых лигатур с иттрием и цинком.

Идея работы. Ввод редкоземельных металлов в виде тройных лигатур с магнием и цинком может быть эффективно реализовано при производстве сплавов на основе магния и алюминия, поскольку большое количество систем магниево-иттриевых сплавов включают в себя цинк, вводимый для повышения прочности. При этом присутствие цинка в составе тройных лигатур обеспечивает снижение их температур плавления, а также увеличивает растворимость в них тугоплавких легирующих элементов. Важно отметить, что для отечественной магниевой отрасли задача получения магниевых лигатур нового состава имеет особую значимость в связи с утверждением Стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2030 года, согласно которой поставлена задача увеличения производства металлургической продукции с высокой добавленной, и, соответственно, сокращение импорта такой продукции. Кроме того, приоритетом государства является стимулирование повышения технического уровня производства Российских металлургических компаний в целях повышения эффективности переработки минерального сырья.

Детали исследования. Для понимания стадийности протекания процесса синтеза тройной лигатуры из хлоридно-фторидного расплава состава YF3-NaCl-KCl-СaCl2 (1:6) проведена идентификация фаз предварительно проплавленной солевой смеси заданного состава, показавшая, что при расплавлении солевой смеси YF3 взаимодействует с хлоридами калия и натрия, образуя комплексные соединения состава: KY7F22, NaYF4, Na1,5Y2,5F9, Na5Y9F32, которые, в свою очередь, являются прекурсорами при получении тройной лигатуры с образованием интерметаллических соединений MgxYyZnz (рисунок 1).

На следующем этапе проведен термический анализ процесса синтеза тройной лигатуры заданного состава из технологической солевой смеси YF3-NaCl-KCl-СaCl2 (6:1)  в присутствии магния  и цинка. На рисунке 2 отображены результаты исследований в виде термограммы, полученной при нагреве смеси YF3-NaCl-KCl-СaCl2 с магнием и цинком.

Выявлено, что эндотермический эффект, обнаруживающийся при температуре 416,2°С с максимумом при 435,9°С, соответствует плавлению наиболее легкоплавкого элемента в заданной системе, а именно гранулированного цинка, имеющего температуру плавления 419,6°С. После чего расплавленный цинк начинает активно взаимодействовать с чушковым магнием, что подтверждается экзотермическим эффектом с минимумом при температуре 447,1°С, который заканчивается при 471,2°С.

По результатам выполненных исследований установлены температуры тепловых эффектов, которые возникают при металлотермических реакциях восстановления иттрия из солевой смеси YF3-NaCl-KCl-СaCl2 расплавом магния и цинка. Установлено, что металлотермическая реакция восстановления иттрия происходит из прекурсоров состава: Na1,5Y2,5F9, NaYF4, Na5Y9F32, KY7F22 и начинается при температуре 471°С.

Заключение. В работе установлены рациональные технологические режимы проведения синтеза (температура 700°С, время выдержки 25 минут, отношение фторида иттрия к хлоридам 1:6, периодическое перемешивание расплава), при которых достигается степень извлечения иттрия до 99,8%. Изучена структура полученных образцов лигатуры, характеризующаяся равномерным распределением тройных интерметаллидов (Mg3YZn6) в объеме двойной эвтектики магний-цинк. Проведены исследования по опробованию полученной тройной лигатуры как легирующего материала при производстве сплавов системы Mg-6Zn-1Y-0,5Zr, при этом усвояемость иттрия составила от 91 до 95%.