Horčík (Mg) a jeho zliatiny, ktoré patria do skupiny ľahkých neželezných kovov, sa radia v súčasnej dobe k najdôležitejším materiálom pre výrobu kovových neželezných konštrukcií. Horčík nemá alotropickú premenu, vyskytuje sa iba v HCP (najtesnejšie hexagonálne usporiadanie) štruktúre, čo má za následok malú deformačnú schopnosť pri teplote miestnosti a zlú obrobiteľnosť. Pridanie prvku lítia (Li) s hustotou 0,534 g/cm3 do Mg zliatiny môže nielen zlepšiť obrobiteľnosť Mg zliatiny, ale môže tiež ďalej znížiť hustotu Mg zliatiny.
Podľa binárneho fázového diagramu [1] Mg-Li zliatiny sa mikroštruktúra Li pri izbovej teplote javí ako jednofázový tuhý roztok α v Mg za podmienok Li (% hm. < 5,7 %, vykazujúca HCP štruktúru) s malým počtom šmykových systémov. Pri podmienke 5,7 % > Li (hmotn. %) < 11 % sa mikroštruktúra zliatiny pri izbovej teplote javí ako α+β, kde Mg sa javí ako β fáza so štruktúrou BCC vytvorenou prostredníctvom tuhého roztoku v Li. V β fáze (BCC) je viac sklzových systémov ako v α fáze pri štruktúre HCP. Preto pri pôsobení vonkajšej sily sa pri β fáze ľahšie vytvárajú dislokácie a sklzy, čím sa zlepšuje kapacita deformácie zliatiny za studena [2].
Za podmienok Li (hm. %) > 11 % je mikroštruktúra Mg pri izbovej teplote tvorená β tuhým roztokom v Li, so štruktúrou BCC a priaznivou plasticitou. Pridanie Li môže nielen výrazne znížiť hustotu Mg zliatiny, ale môže tiež podporiť Mg zliatinu, aby vytvorila β fázu (BCC štruktúra) s väčším množstvom sklzových systémov. Okrem toho výrazne podporuje pohyb < c + a > dislokácie, aby sa ďalej zvýšila plasticita a tvárnosť Mg zliatiny [3].
Vplyv prvkov ako Al a Zn v zliatine Mg je významný, vykazuje významné účinky na tuhý roztok pri spevnení starnutím. Navyše, vytvorením intermetalických zlúčenín s vysokou teplotou tavenia sa zvyšuje tepelná stabilita Mg-Li zliatiny [4].
Zliatina MBLS10A-200 je relatívne nový ultraľahký kovový neželezný materiál, ktorý je vyrobený z 10 % hm. Li, 3,1 % hm. Al, 2,9 % hm. Zn a zvyšok je Mg. MBLS10A-200 vykazuje rôzne charakteristiky, ako je vysoká špecifická pevnosť, špecifická tuhosť, priaznivý efekt elektromagnetického tienenia, dobrá biokompatibilita a vynikajúca recyklácia. Vykazuje široké uplatnenie v rôznych oblastiach ako je letectvo, automobilový priemysel, pokročilé elektronické a pohyblivé zariadenia [5].
Zliatina bola úspešne aplikovaná v čínskom satelite Pujiang č. 1, kde na konštrukčné časti vrátane zabudovaných častí, nosičov a niektorých skriniek a puzdier bola použitá zliatina MBLS10A-200. Aplikácia nového materiálu znížila hmotnosť celého satelitu o približne 173 kg, čo výrazne zvyšuje podiel užitočného zaťaženia. S jej rozsiahlou aplikáciou v priemysle sa výrazne spája problém so zváraním zliatiny Mg-Li [6].
V súčasnosti je veľa výskumov zameraných na trecie zváranie s premiešaním (FSW). Zhou a kol. [7] skúmali FSW metódu spájania zliatiny Mg-Li LZ91. Zistilo sa, že oblasť ZK vykazovala vyššiu tvrdosť a lepšie ťahové vlastnosti ako ZM v dôsledku zjemnenia zŕn. Liu a kol. [8] skúmal zváranie zliatiny Mg-10,36Li-2,7Al-0,91Zn-0,81Ce TIG metódou. Ukázalo sa, že mikroštruktúra v ZK bola jemnozrnná, zatiaľ čo mikroštruktúra v TOO bola zhrubnutá. Pevnosť v ťahu zvarového spoja bola asi 84 % pevnosti ZM. Wu a kol. [9] skúmali zváranie s plneným drôtom zliatiny LA141. Zistilo sa, že pevnosť v ťahu po zváraní bola 153 MPa, dosahovala 95 % ZM, predĺženie bolo 8 %. V dôsledku nízkej rýchlosti zvárania a vysokého tepelného príkonu je však TOO široká a dochádza k výraznému vyparovaniu zliatinových prvkov, čo spôsobuje deformácie a rôzne defekty. V dôsledku toho má zvarový spoj iba malú pevnosť. Vďaka vysokej hustote energie, nízkemu tepelnému príkonu, vysokej účinnosti zvárania a vysokej flexibilite je laserové zváranie vhodné pri riešení niektorých problémov súvisiacich so zváraním ako šírka TOO, pórovitosť a horúce praskanie. V tejto práci bola laserovým lúčom zvarená zliatina MBLS10A-200 Mg-Li a analyzovala sa mikroštruktúra a vlastnosti tupého spoja.

Obr. 1: ZM zliatiny MBLS10A-200 Mg-Li

Materiál a parametre zvárania
Na experiment bol použitý plech zo zliatiny MBLS10A-200 Mg-Li s hrúbkou 5 mm. Chemické zloženie je uvedené v tab. 1. Materiál je tvorený β fázou (pevný roztok Li s kryštálovou štruktúrou BCC), α fázou (tuhý roztok Mg s kryštálovou štruktúrou HCP) a granulárnymi precipitátmi (obr. 1). Šedočierna matrica sa vzťahuje na β fázu (jednofázový tuhý roztok Mg v Li matrici), na ktorej pásikové špinavobiele útvary predstavujú α-Mg (jednofázový tuhý roztok Li v Mg matrici) a svetlo-biele útvary v tvare granúl predstavujú precipitáty. Orientácia α-Mg bola konzistentná so smerom valcovania plechu zliatiny Mg-Li.

Tab. 1: Chemické zloženie (hm. %)

Na zváranie bol použitý multimódový CW vláknový laser IPG YLS-4000 s maximálnym výkonom 4 kW a vlnovou dĺžkou 1 070 nm, u ktorého bol priemer optických vlákien, priemer ohniska a ohnisková vzdialenosť 200 μm, 200 μm a 150 mm. Počas zvárania bol ZK chránený argónom (99,99 %) s prietokom 30 l/min. Zvary boli vyhotovené z plechu MBLS10A-200 Mg-Li s rozmermi 50 mm x 20 mm x 5 mm. Parametre zvárania sú uvedené v tab. 2.

Tab. 2: Parametre zvárania

Výsledky
Morfológie povrchov a koreňov ako aj prierez zvarových spojov vyhotovených laserom sú znázornené na obr. 2. Z obr. 2 je možné vidieť, že všetky zvary 1#, 2#, 3# a 4# boli úplne penetrované, pričom vykazovali relatívne rovnomernú šírku. Chyby, ako sú mikrotrhliny a póry, ktoré sa často vyskytujú pri zváraní Mg zliatin, neboli detekované. Korene zvarových spojov vykazovali rôzne stupne konkávnych tvarov, medzi ktorými spoj 1# a 4# predstavovali najmenšie a najväčšie rozdiely. Zliatina MBLS10A-200 Mg-Li vykazuje nízku hustotu, nízky bod tavenia, nízke povrchové napätie a nízku viskozitu, a preto bol vysoký prietok ochranného plynu (30 L/min) pravdepodobne dôvodom konkávnych tvarov koreňov. Prietoky ochranného plynu na povrchu a v koreni boli teda nastavené na 30 L/min a 15 L/min.

Obr. 2: Morfológie povrchov a koreňov spojov a prierezov zvarových spojov

Ako je znázornené na obr. 3, po znížení prietoku ochranného plynu, koreň zvaru nevykazoval konkávny tvar. Ako vhodné parametre zvárania sú stanovené: P = 2 800 W, V = 4 m/min a f = 0 mm a prietok ochranného plynu na povrchu a v koreni 30 L/min a 15 L/min.

Obr. 3: Morfológia povrchu, koreňa a prierezu spoja 1#

Mikroštruktúra zvarových spojov
Obr. 4 zobrazuje výsledok XRD analýzy ZM a ZK zliatiny MBLS10A-200 Mg-Li. Ako je znázornené na obr. 4, ZM pozostával hlavne z α fázy (Li_0,92 Mg_4,08), β fázy (Li₃ Mg₇) a fázy Li₂MgAl. V porovnaní so ZM sa intenzity a počty charakteristických píkov α fázy (Li_0,92 Mg_4,08) a Li₂MgAl fázy v ZK výrazne znížili, zatiaľ čo intenzita charakteristických píkov β fázy (Li₃ Mg₇) výrazne stúpla. Nenašli sa žiadne významné nové charakteristické píky, čo naznačuje, že obsah fázy α a Li₂MgAl v ZK výrazne klesol, zatiaľ čo obsah fázy β sa výrazne zvýšil v porovnaní so ZM. Na základe XRD analýzy neboli zistené žiadne nové fázy. V ZM boli charakteristické píky predstavujúce fázu Li₂MgAl, α fázu (Li_0,92 Mg_4,08) a β fázu (Li₃ Mg₇) pri približne 38°, 37° a 36° (29) interaktívne nezávislé. Naproti tomu v ZK boli tri charakteristické vrcholy interaktívne spojené. Na základe zmeny intenzít a počtu ostatných charakteristických píkov je možné odhaliť, že proces zvárania podporil transformáciu Li₂MgAl a α fázy v ZK na β fázu.

Obr. 4: XRD základného materiálu a zvarového kovu

Obr. 5(a) zobrazuje pohľad na prierez zvarového spoja pozorovaný pomocou optického mikroskopu, ktorý pozostáva zo ZK, TOO a ZM. Na priereze zvarového spoja neboli pozorované žiadne defekty ako sú praskliny a póry. Mikroštruktúra ZM pozostáva z fáz α, β a Li₂MgAl. Biela α fáza a zrnité čierne precipitáty boli rovnomerne rozložené v sivej ß matrici, ako je znázornené na obr. 5(b). Ako je znázornené na obrázku, TOO bola úzka (130 μm). V porovnaní so ZM sa počet a rozmer bielo-svetlej α fázy v TOO výrazne znížil. Okrem toho počet zrnitých čiernych precipitátov výrazne vzrástol, ako je znázornené na obr. 5(c). Mikroštruktúra ZK (obr. 5d) je tvorená jemnými rovnoosými zrnami.

Obr. 5: Mikroštruktúra zvaru 1# (a) prierez zvarového spoja; b) mikroštruktúra ZM; c) mikroštruktúra TOO; (d) mikroštruktúra v strede ZK

Obr. 6 zobrazuje mikroštruktúru zvaru a výsledok EDX analýzy precipitátov. Z obr. 6 (bod 1) je možné vidieť, že množstvo zrnitých precipitátov je rovnomerne rozmiestnených pri hranici zŕn v TOO s veľkosťou približne 8 μm. V TOO sa nachádza veľké množstvo diskontinuálnych jemných disperzných fáz kosoštvorcového tvaru [naznačených bielou šípkou na obr. 6(d)] s dĺžkou asi 1 μm, ktoré sú rovnomerne rozložené v matrici. Výsledok EDX detekoval prvky Mg, Al a Zn, a možno vyvodiť, že precipitáty predstavujú fázu Li₂MgAl. V zrnách a na hranici zŕn β fázy boli distribuované menšie svetlobiele precipitáty [bod 2 na obr. 6(b)] s veľkosťou približne 2 μm.
Precipitáty sú tvorené prvkami Mg, Al a Zn a jedná sa o fázu Li₂MgAl na základe výsledku XRD znázorneného na obr. 4. Matrica tvorená α-fázou nevykazovala žiadne precipitáty, zatiaľ čo v β-fázovej matrici v ZM boli dva typy precipitátov: 1) malé granulované jasnobiele precipitáty Li₂MgAl [bod 3 na obr. 6(e)] s veľkosťou 5 μm; 2) veľké zrnité tmavé precipitáty [bod 4 na obr. 6(e)] s veľkosťou 10 μm, ktorých hlavnými chemickými prvkami boli Mg a Si.

Obr. 6: SEM obrázky (a) TOO, (b) ZK, (c) ZM, (d) a (e) zväčšené oblasti (a) a (c)

Na obr. 7(a) je morfológia zvaru pred starnutím a morfológia zvaru, ktorá bola podrobená starnutiu [obr. 7(b)]. Z obr. 7(b) je jasne vidieť, že po starnutí bolo v ZK veľké množstvo rovnomerne distribuovaných zrnitých precipitátov s veľkosťou približne 5 μm.

Obr. 7: ZK zvarových spojov (a) bez tepelného spracovania (b) s rozpúšťacím žíhaním (370°C, 6 h) a starnutím (150°C, 8 h).

Mikrotvrdosť
Priebeh mikrotvrdosti prierezu laserového zvarového spoja zo zliatiny MBLS10A-200 Mg-Li je znázornený na obr. 8. Ako je znázornené na obrázku, mikrotvrdosť ZK výrazne vzrástla: priemerná mikrotvrdosť ZM je 64,5 HV, zatiaľ čo hodnota ZK je 78,6 HV. V porovnaní so ZM sa mikrotvrdosť ZK zvýšila o približne 21,9 %. Navyše mikrotvrdosť TOO bola medzi mikrotvrdosťou ZM a ZK. Ako bolo uvedené vyššie, TOO zvarového spoja je úzka, a preto gradient mikrotvrdosti TOO bol extrémne veľký, ako je znázornené na obr. 8.
Kolísanie mikrotvrdosti v ZM (obr. 8) bolo spôsobené tým, že mikroštruktúra ZM pozostáva z dvoch fáz; pásiková α fáza bola rovnomerne rozložená v β matrici. Kvôli mriežke α-fázy (HCP), ktorej sklzové systémy sú menšie ako tie β fázy so štruktúrou BCC, mikrotvrdosť α fázy bola vyššia ako β fázy. Dôvod, prečo bola mikrotvrdosť TOO vyššia ako mikrotvrdosť ZM, možno vysvetliť použitím výsledku na obr. 6(e). Ako je znázornené na obrázku, množstvo jemných disperzných fáz v tvare kosoštvorca bolo distribuovaných v matrici, čo zvýšilo mikrotvrdosť TOO. Zváraním došlo k vytvrdeniu zliatiny MBLS10A-200, čo bolo spôsobené tým, že ZK rýchlo stuhol za vzniku presýteného tuhého roztoku v dôsledku nízkeho príkonu tepla a vysokej rýchlosti zvárania laserovým lúčom. Porovnaním výsledkov mikrotvrdosti medzi zvarom spracovanom pred a po starnutí sa zistilo, že po starnutí klesla mikrotvrdosť z približne 78,6 HV na 60 HV.

Obr. 8: Priebeh mikrotvrdosti zvaru 1#

Záver
Pri zváraní mal ochranný plyn, okrem výkonu lasera a rýchlosti zvárania, veľký vplyv na geometriu zvaru. Keď bol prietok OA v koreni 30 l/min, geometria vykazovala konkávny tvar. Pri zváraní zliatiny MBLS10A-200 Mg-Li s hrúbkou 5 mm s parametrami P = 2 800 W, V = 4 m/min, f = 0 mm a prietok OA 30 L/min a 15 L/min na povrchu a v koreni, koreň vykazoval konvexný tvar. Po zváraní sa α fáza a precipitáty Li₂MgAl v ZM takmer úplne rozpustili. Potom mikroštruktúra ZK obsahovala iba β fázu, keď prvky v ZK rýchlo stuhli a ochladili sa. Preto sa mikrotvrdosť ZK zvýšila o 21,9 % v porovnaní so ZM. Mikroštruktúra ZK bola tvorená veľkým množstvom jemných rovnoosových zŕn s priemerom 10 μm. Zliatina MBLS10A-200 Mg-Li obsahovala fázy α, β a precipitáty Li₂MgAl. Po zváraní však fáza Li₂MgAl v tvare pásika a zrnitých precipitátov takmer zmizla a objavila sa ako tuhý roztok v matrici v ZK.

Poďakovanie
Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a inovácie pre projekt: Vedeckovýskumné centrum excelentnosti SlovakION pre materiálový a interdisciplinárny výskum, kód projektu v ITMS2014+: 313011W085 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

TEXT/FOTO Ing. Maroš Vyskoč, PhD., IWE, Ústav výskumu progresívnych technológií, MTF STU v Trnave

Literatúra
[1] T.B. Massalski (Ed.), Binary Alloy Phase Diagrams, ASM, Metal Park, OH (1986)
[2] S.R. Agnew, J.A. Horton, M.H. Yoo. Transmission electron microscopy investigation of dislocations in Mg and α-solid solution Mg-Li alloys. Metallurgical & Materials Transaction A, 33 (2002), pp. 851-858
[3] F.R. Cao, H. Ding, Y.L. Li, et al. Superplasticity, dynamic grain growth and deformation mechanism in ultra-light two-phase magnesium-lithium alloys. Mater.Sci.Eng.A, 527 (2010), pp. 2335-2341
[4] H.P. Yang, M.W. Fu, S. To, et al. Investigation on the maximum strain rate sensitivity (m) superplastic deformation of Mg-Li based alloy. Master. Des., 112 (2016), pp. 151-159
[5] L. Wan, Y.L. Deng, L.Y. Ye, et al. The natural ageing effect on pre-ageing kinetics of Al-Zn-Mg alloy. Journal of Alloys and Compounds, 776 (2019), pp. 469-474
[6] V. Kumar, R. Shekhar, K. Balani. Corrosion Behavior of Novel Mg-9Li-7Al-1Sn and Mg-9Li-5Al-3Sn-1Zn Alloys in NaCl Aqueous Solution JMEPEG, 24 (2015), pp. 4060-4070
[7] M. Zhou, Y. Yoshiaki, H. Fujii, J.Y. Wang. Microstructure and mechanical properties of friction stir welded duplex Mg–Li alloy LZ91. Mat Sci Eng a-Struct, 773 (2020), Article 138730
[8] X.H. Liu, S.H. Gu, R.Z. Wu, et al.. Microstructure and mechanical properties of Mg-Li alloy after TIG welding. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 21 (2011), pp. 477-481
[9] G.Q. Wu, D.C. Zhao, L.B. Sun. Microstructure and mechanical properties of wire-filled tungsten argon arc welded joints for LA141 magnesium-lithium-aluminum alloy. Materials Today Communications, 23 (2020), Article 100881