Yang Chen

1 Institutul de Formare Avansată, Universitatea Nanchang, Nanchang 330031, China; moc.361@fb_gnaynehC (Y.C.); moc.361@4111niynehZ (Z.Y.); moc.361@hw_gnohnay (H.Y.); moc.anis@771_gnohy (X.-Q.W.)

Zheng Yin

1 Institutul de Formare Avansată, Universitatea Nanchang, Nanchang 330031, China; moc.361@fb_gnaynehC (Y.C.); moc.361@4111niynehZ (Z.Y.); moc.361@hw_gnohnay (H.Y.); moc.anis@771_gnohy (X.-Q.W.)

Hong Yan

1 Institutul de Formare Avansată, Universitatea Nanchang, Nanchang 330031, China; moc.361@fb_gnaynehC (Y.C.); moc.361@4111niynehZ (Z.Y.); moc.361@hw_gnohnay (H.Y.); moc.anis@771_gnohy (X.-Q.W.)

2 Laborator cheie de pregătire și prelucrare a aliajelor ușoare în orașul Nanchang, Nanchang 330031, China

Guo-Hua Zhou

3 Colegiul de știință și tehnologie fizică, Universitatea Yichun, Yichun 336000, China; moc.361@5067hgz

Xiao-Quan Wu

1 Institutul de Formare Avansată, Universitatea Nanchang, Nanchang 330031, China; moc.361@fb_gnaynehC (Y.C.); moc.361@4111niynehZ (Z.Y.); moc.361@hw_gnohnay (H.Y.); moc.anis@771_gnohy (X.-Q.W.)

Zhi Hu

1 Institutul de Formare Avansată, Universitatea Nanchang, Nanchang 330031, China; moc.361@fb_gnaynehC (Y.C.); moc.361@4111niynehZ (Z.Y.); moc.361@hw_gnohnay (H.Y.); moc.anis@771_gnohy (X.-Q.W.)

2 Laborator cheie de pregătire și prelucrare a aliajelor ușoare în orașul Nanchang, Nanchang 330031, China

Abstract

Efectele samariului (Sm) asupra microstructurii și comportamentului la coroziune ale aliajului de magneziu AZ91 tratat prin vibrații cu ultrasunete au fost investigate prin microscopie electronică de scanare, difracție cu raze X, microscopie electronică de transmisie și măsurători electrochimice. Rezultatele au arătat că adăugarea de Sm a dus la formarea de Al2Sm, care a redus fracția de volum a fazei β-Mg17Al12 și și-a schimbat morfologia în granule fine. Aliajele AZ91 - Sm tratate prin vibrații cu ultrasunete au scos la iveală pierderea în greutate relativ redusă, evoluția hidrogenului și densitatea curentului de coroziune comparativ cu aliajul AZ91 tratat cu ultrasunete preparat fără Sm. La nivel local, o fază β grosieră din aliajul AZ91 tratat cu ultrasunete a accelerat posibilitatea creșterii coroziunii micro-galvanice în matrice. În aliajele pregătite AZ91 - Sm tratate prin vibrații cu ultrasunete, fazele fine β și Al2Sm au redus probabilitatea creșterii coroziunii micro-galvanice și, prin urmare, au format un strat de coroziune uniform pe suprafața aliajelor.

1. Introducere

Fiind cele mai ușoare materiale metalice, magneziul (Mg) și aliajele sale sunt materiale utile pentru industria aerospațială, auto și electronică [1,2]. Se așteaptă ca multe aliaje de magneziu să fie utilizate ca materiale biodegradabile pentru aplicații medicale [1,2]. Mg și aliajele sale prezintă multe proprietăți excelente, cum ar fi prelucrabilitatea, turnabilitatea, biocompatibilitatea și proprietățile de radiații anti-electromagnetice [3]. În special, aliajele AZ91 sunt utilizate pe scară largă datorită proprietăților lor mecanice excelente, inclusiv caracteristici de amortizare ridicate, ecranare electromagnetică excelentă și reciclabilitate [4,5]. Cu toate acestea, coroziunea rămâne o preocupare specială pentru Mg și aliajele sale datorită proprietăților lor chimice active și a tensiunii de echilibru scăzute a Mg, rezultând o rezistență slabă la coroziune [6,7,8].

În ultimii ani, cercetătorii au descoperit că adăugarea de elemente din pământuri rare poate purifica topitura, rafina microstructura și întări proprietăți precum rezistența sau duritatea la temperaturi ambientale sau ridicate și rezistența la coroziune a aliajelor Mg [6,7] . Seria de aliaje AE (Mg-Al-RE) se bazează pe adăugarea de elemente din pământuri rare. Aceste materiale prezintă o rezistență sporită la fluare datorită inhibării complete a compusului intermetalic Mg17Al12 și formării fazelor Al - RE foarte stabile, cum ar fi Al2RE, Al3RE sau alte faze RE [9]. Faza bogată în RE, inclusiv Al2Yb [10], Al2Y [11], Al11Nd3 [12] și Al3Er, joacă un rol critic în rezistența îmbunătățită la coroziune a aliajelor de magneziu [3]. Wu și colab. [13], de exemplu, a constatat că adăugarea de samariu (Sm) la aliajul AZ92 a scăzut fracția de volum a fazei β-Mg17Al12 de la 0,29% la 0,075% pe măsură ce conținutul de Sm a crescut. Rata de coroziune a aliajului AZ92 cu adaos de 0,5% în greutate de Sm a scăzut cu 54% comparativ cu cea a matricei. În general, Sm, cu cel mai mare număr atomic dintre elementele ușoare ale pământului rar, este unul dintre cele mai eficiente elemente RE pentru rafinarea compușilor intermetalici și îmbunătățirea rezistenței la coroziune a aliajelor de magneziu [14].

În plus față de utilizarea elementelor RE ca rafinări intermetalice în aliajele Mg, metode fizice, cum ar fi vibrațiile cu ultrasunete, pot fi, de asemenea, utilizate pentru a rafina mărimea granulelor în timpul solidificării [15]. Multe studii au demonstrat că tratamentul cu vibrații cu ultrasunete al aliajelor poate spori în mod eficient ductilitatea [16], alungirea [17], rezistența la tracțiune [18] și duritatea [19], cu rafinamentul celei de-a doua faze și microstructura îmbunătățită. Zhang și colab. [20,21] au investigat efectele vibrațiilor ultrasonice de înaltă intensitate asupra morfologiei și proprietăților mecanice ale unui aliaj binar Mg - Al și au observat că tratamentul cu ultrasunete a avut un impact mare asupra dimensiunii și microstructurii fazei β-Mg17Al12. Faza β-Mg17Al12 a devenit mai fină, mai omogenă și a adoptat o formă de rețea discontinuă. Deși proprietățile mecanice ale aliajelor de magneziu tratate cu ultrasunete au fost investigate intens, s-a acordat puțină atenție rezistenței la coroziune a acestor aliaje de magneziu tratate. Astfel, scopul acestei lucrări a fost investigarea influenței Sm asupra evoluției microstructurii și comportamentului la coroziune al aliajelor de magneziu AZ91 tratate cu vibrații ultrasonice, determinând morfologia, dimensiunea și distribuția celei de-a doua faze în aceste aliaje.

2. Experimental

2.1. Pregătirea materialului și observarea microstructurală

tabelul 1

Compoziția (% în greutate) a aliajelor de magneziu AZ91 - xSm tratate cu vibrații cu ultrasunete.

AlloyAlMnZnSmMg
AZ919.230,290,67---Bal.
AZ91–0,5См9.040,350,820,44Bal.
AZ91–1.0См9.120,170,550,95Bal.
AZ91–1,5См8,870,260,901,39Bal.

2.2. Testarea prin imersiune

Rata de coroziune a fost evaluată prin măsurarea (1) cantității de hidrogen care a evoluat în timpul coroziunii într-o soluție apoasă de 3,5% în greutate NaCI și (2) pierderea în greutate a probelor. Probele de testare au fost tăiate în pătrate de 10 × 10 × 10 mm prin tăierea sârmei, apoi suprafața fiecărei probe a fost măcinată umed până la un finisaj de 1200 grit folosind hârtie abrazivă, curățată cu apă distilată și uscată într-un flux de aer cald comprimat . Toate probele au fost cântărite folosind o cântare electronică cu o precizie de 0,001 g și apoi imersate în soluția de NaCI timp de 24 de ore. După testarea prin imersiune, probele corodate au fost curățate cu apă distilată și uscate. Au fost apoi imersați într-o soluție apoasă (200 g/L CrO3 + 10 g/L AgNO3) timp de 5-10 minute pentru a îndepărta produsele de coroziune. Eșantioanele au fost spălate rapid cu apă distilată, uscate cu un vânt de curgere rece și cântărite din nou. Pentru a măsura reacția de evoluție a hidrogenului, am înregistrat valoarea inițială și valoarea finală. Configurarea experimentală pentru acest studiu este prezentată în Figura 1. Rata de coroziune a fost calculată folosind ecuația (1):

unde V (mg · cm −2 · zi −1 sau mL · cm −2 · zi −1) reprezintă rata de coroziune, ΔM (mg sau mL) este diferența de greutate sau diferența de volum în timpul testului de imersiune, A (cm 2) este aria totală a specimenului, iar t (zile) este timpul de coroziune. Toate experimentele au fost efectuate la temperatura camerei și repetate de cinci ori pentru o bună reproductibilitate. Am calculat media a cinci experimente.

asupra

Schema echipamentelor de testare a coroziunii.

2.3. Testarea electrochimică

Testarea electrochimică a fiecărui aliaj a fost efectuată utilizând o configurație cu celule plate cu trei electrozi cu o plasă de platină ca contraelectrod, un calomel saturat ca electrod de referință și specimenul ca electrod de lucru. Pentru a pregăti eșantioanele pentru testare, eșantioanele au fost tăiate în cuburi cu dimensiunile de 10 mm × 10 mm × 1 mm și măcinate cu hârtie SiC de 1000 de granule. Electrolitul a fost 3,5% în greutate soluție de NaCI într-un volum de 400 ml. Măsurătorile de polarizare au fost efectuate folosind stația de lucru electrochimică Princeton P4000, cu o rată inițială de scanare de 2 mV/s și un interval potențial de ± 350 mV față de potențialul circuitului deschis.

3. Rezultate

3.1. Microstructură

Microstructurile inițiale ale aliajelor tratate prin vibrații cu ultrasunete sunt prezentate în Figura 2a, care arată, de asemenea, că faza primară (α-Mg) a fost separată de faza relativ grosieră β-Mg17Al12. Figura 2 b - d prezintă microstructura aliajelor AZ91 - xSm (x = 0,5, 1, 1,5% în greutate). Dimensiunea fazei β-Mg17Al12 a fost evident mai mică. Odată cu creșterea cantităților de Sm, faza β-Mg17Al12 a devenit mai omogenă și a fost distribuită sub formă granulară în aliaj, devenind distinctă la 1,5% Sm. Putem observa, de asemenea, unele particule de culoare albă deschisă în aceste imagini. Pentru verificări ulterioare, am folosit EDS pentru a detecta compoziția acestor materiale. Figura 3 prezintă EDS a zonelor indicate de săgețile A și B din Figura 2a, b. Putem vedea că particulele granulare din Figura 2a (indicate prin săgeata A) au fost realizate din compus intermetalic Al - Mn. În mod similar, compusul intermetalic Al - Mn din aliajul de magneziu AZ61 a fost caracterizat de Al8Mn5 [4], în timp ce aria indicată de săgeata B din Figura 2b a fost faza bogată în Sm.

Imagini SEM ale aliajelor de magneziu AZ91 - xSm tratate prin vibrații ultrasonice, unde x = (A) 0% în greutate; (b) 0,5% în greutate; (c) 1% în greutate; (d) 1,5% în greutate.