МЕТАМОРФОЗЫ МАГНИЯ

Еще студенткой Физико-технологического института УрФУ Дарья Комкова заинтересовалась результатами первых экспериментов по низкотемпературной деформации магния под руководством А.Ю. Волкова. Успешно пройдя летнюю практику, Комкова была приглашена на работу в качестве старшего лаборанта и впоследствии защитила две работы по теме исследований на звание бакалавра и магистра. По окончании УрФУ поступила в аспирантуру ИФМ, которую заканчивает в 2020 году. Ее научный руководитель — А.Ю. Волков. Мы попросили Дарью рассказать о новых методах деформации магния и их преимуществах.

— Магний в прикладном плане — очень перспективный материал. Он имеет высокую удельную прочность и жесткость, обладает хорошими демпфирующими характеристиками (способностью гасить вибрацию) и при этом малой плотностью. Для сравнения: плотность магния равна 1,737 г/см³, что легче железа в 4,5 раза, меди — в 5 раз, титана — в 2,6 раза и алюминия — в 1,5 раза. Благодаря этому магний и его сплавы могут использоваться в авто- и авиастроении для снижения общего веса изделий, что позволит сократить расход топлива и количество вредных выбросов.

Конечно, магний и его сплавы прежде всего известны как конструкционные материалы. Но существуют и другие области применения этого металла. К примеру, разработка новых источников тока на основе магния. Такие батареи могут в будущем стать хорошей заменой для широко распространенных сегодня литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). При всех достоинствах ЛИА у них есть недостатки: относительная дороговизна, взрывоопасность, вероятность попадания большого количества вредных веществ в окружающую среду. Магний же обладает высокой энергоемкостью, является недорогим безопасным и экологически чистым материалом. Также магний может использоваться не только для создания источников тока в «традиционной» электронике, но и в активно развивающейся сегодня новой области – транзиентной, или биорастворимой, электронике. Благодаря химической активности и высокой биологической совместимости магния в ультратонкой форме на его основе можно делать биорастворимые транзисторы и простые интегральные схемы, датчики для контроля состояния здоровья, диагностики организма или окружающей среды.

Уже в начале 2000-х гг. израильские ученые сообщили об успешных результатах экспериментов по созданию прототипа твердотельных перезаряжаемых магниевых батарей. Интересно, что в качестве анода в виде пластин толщиной 10–150 мкм планировалось использовать чистый магний. Однако от этой идеи отказались, и анод был изготовлен из магниевого сплава, поскольку получение настолько тонких образцов из чистого металла представляло большую проблему.

Дело в том, что с магнием, при всей его физической «легкости», работать не так-то и легко. Так, получить тонкие листы чрезвычайно трудно из-за малой пластичности магния при комнатной температуре. Это связано с особенностями строения кристаллической решетки металла и деформационных механизмов в процессе обработки. Поэтому прокатка магния, как правило, проводится при повышенных температурах, что вызывает окисление поверхности, укрупнение структуры зерен, развитие острой базисной текстуры. Как следствие, механические свойства материала ухудшаются. Именно поэтому снижение температуры деформации магния и повышение его пластических свойств оказывается важной и непростой научной задачей, которая нас и заинтересовала.

В последнее время изучению влияния различных методов интенсивной пластической (мегапластической) деформации на микроструктуру и механические свойства металлов и сплавов уделяется большое внимание. Результаты показывают, что большие деформационные воздействия могут привести к формированию в магнии ультрамелкозернистой структуры и препятствовать формированию острой текстуры.

Мы разработали несколько новых методов мегапластической деформации магниевых сплавов. Один из них включает два этапа: поперечное выдавливание при комнатной температуре и последующую прокатку. На эту технологию уже получен патент РФ. Цилиндрический образец магния с крупнозернистой структурой помещается в стальной контейнер, у дна которого расположена щель шириной 30 мм и высотой 1 мм. Сверху на образец прикладывается нагрузка, и при достижении определенного давления магний начинает истекать из щели в виде длинной пластины. В результате происходит существенное измельчение зеренной структуры: от нескольких десятков миллиметров в исходной заготовке до ~ 3 мкм в полученной пластине. Структура таких пластин неоднородна: крупные зерна соседствуют с участками более мелких зерен. При этом образцы, вырезанные из полученных пластин, демонстрируют хорошие механические свойства. Мы установили, что степень измельчения и однородность структуры в пластине, а также механические свойства образцов во многом зависят от того, как именно был вырезан цилиндрический образец из крупнокристаллического магниевого слитка, и определили наиболее оптимальный вариант ориентировки исходных заготовок. Пластические свойства полученных 1-миллиметровых магниевых пластин достаточно высоки, и они могут деформироваться прокаткой при комнатной температуре. В результате мы получили магниевые пластины и фольги разной толщины: от 1 мм до 10 мкм. Кроме того, проведены успешные эксперименты по криодеформации магния с получением тонкой магниевой фольги толщиной 30–50 мкм.

Первые эксперименты по поперечному выдавливанию проводились на технически чистом магнии для отработки методики и изучения фундаментальных особенностей протекания процессов деформации. Однако на практике чаще применяются магниевые сплавы. Между тем эксперименты, проведенные с образцами магниевого деформируемого сплава с содержанием алюминия до 5%, не привели к положительным результатам. Для деформации этого сплава методом поперечного выдавливания при комнатной температуре требовались настолько высокие давления, что не выдерживала оснастка, изготовленная из высокопрочной стали. Мы начали искать другие способы деформации и разработали метод обратного выдавливания с противодавлением. Цилиндрическая заготовка из магниевого сплава также помещается в стальной контейнер, и при воздействии на нее пуансоном (это деталь пресса) сплав начинает течь, заполняя зазор, который имеется между стенкой контейнера и пуансоном. К сожалению, пока нам не удалось провести успешные эксперименты по деформации сплава при комнатной температуре. Требуется предварительный разогрев заготовки до 150°С. В результате получаются образцы в виде стаканчиков с разной толщиной стенки: от 1 до 4 мм. Высота таких стаканчиков — 4–5 см, а диаметр 3–4 см. Стенка, вырезанная из стаканчика, оказалась пластичной для прокатки при комнатной температуре, что позволило получить фольгу из магниевого сплава толщиной 150 мкм и с хорошими прочностными свойствами. Сейчас проводятся эксперименты по получению стаканчиков малого размера высотой от 1 см и диаметром до 8 мм.

Кроме того, мы разработали метод получения тонких магниевых проволок толщиной до 100 мкм путем химического стравливания оболочек с многожильных медно-магниевых и алюминиево-магниевых композитов разного диаметра. В таких проволоках удается получить зерно с размерами в нанодиапазоне. Мы подробно изучаем структуру и свойства этих уникальных образцов.

Интересно, что полученные нами результаты могут использоваться в медицине при разработке биосовместимых и биоразлагаемых имплантатов. Сегодня основные материалы для ортопедической имплантации — это стали и титановые сплавы, полимерные материалы, которые во многих случаях требуют повторного хирургического вмешательства для извлечения отслужившей конструкции. Кроме того, их механические свойства во многом превосходят свойства человеческой кости, и это может приводить к разрушению и неправильному формированию костной ткани. Магний же обладает плотностью, сопоставимой с плотностью трубчатой кости. Этот элемент в большом количестве присутствует в организме человека, вовлечен во многие биологические механизмы и реакции, может разрушаться с выделением нетоксичных продуктов, имеет высокую биосовместимость с живыми тканями и физиологическими средами. Кстати, применение магния в медицине известно еще с конца XIX века, когда магниевая проволока была использована для сшивания кожных покровов, что приводило к выздоровлению пациента. Пластины и проволоки из магния могут стать хорошим материалом для создания элементов крепежных конструкций, ортопедических имплантатов и сердечно-сосудистых стентов и элементов скрепления тканей, мембран для очистки жидкостей и газов.

Конечно, такие перспективы применения наших методов кажутся пока туманными и вызывают большое количество вопросов. Например, вопрос о коррозионной стойкости материалов, обработанных по предложенным технологиям. У чистого магния достаточно высокая скорость коррозии, что может привести к разрушению имплантата еще до формирования новой здоровой ткани. В связи с этим чаще для медицинских целей рассматривают сплавы с цинком, кальцием, алюминием, которые демонстрируют более высокое сопротивление коррозии. Однако некоторые зарубежные авторы показывают, что создание мелкозернистой структуры в чистом магнии без применения термообработок может положительно сказаться на коррозионной стойкости. Несомненно, впереди у нас еще много работы по изучению влияния различных методов низкотемпературной деформации на структуру и свойства магния и его сплавов, и расстояние между научной разработкой и практическим внедрением зачастую очень велико. Но мы настроены оптимистично, ведь, перефразируя Маяковского, если магний деформируют — значит, это кому-нибудь нужно.