Вплив рідкоземельних елементів на механічні властивості магнієвих сплавів
Магній і його сплави, як найлегші металеві конструкційні матеріали в даний час, мають такі переваги, як низька щільність, висока питома міцність і жорсткість, висока амортизація, хороша теплопровідність, відмінна оброблюваність, стабільний розмір деталей і легка переробка. Вони широко використовуються в таких галузях, як авіація, аерокосмічна промисловість, автомобільна промисловість, транспорт, електроніка, зв’язок і комп’ютер.
Через недостатні механічні властивості та низьку корозійну стійкість магнієві сплави обмежені у широкому застосуванні у виробництві та побуті. Однак, коли додається невелика кількість рідкоземельних елементів, різні властивості магнієвих сплавів можуть бути значно покращені. Рідкоземельні елементи розташовані в IIIB групі періодичної системи. Зовнішня електронна структура атомів однакова, обидва мають два електрони, тоді як друга зовнішня електронна структура подібна. Кількість електронів на 4f-орбіталі в передостанньому шарі змінюється від 0 до 14; Хімічні властивості істотно не відрізняються, і всі вони дуже активні. Як магнієві сплави, так і рідкоземельні елементи мають щільну гексагональну кристалічну структуру, тому рідкоземельні елементи мають високу тверду розчинність у магнієвих сплавах. За винятком Sc, інші 16 рідкоземельних елементів можуть утворювати евтектичні фази з Mg, і більшість рідкоземельних елементів мають високу тверду розчинність у Mg.
Вплив рідкоземельних елементів на очищення та подрібнення зерна магнієвого сплаву
Магній має активні хімічні властивості і схильний реагувати з O2 і H2O з утворенням MgO, в результаті чого в магнієвих сплавах з’являються оксидні включення, що знижує якість і експлуатаційні характеристики магнієвих сплавів. Окислені включення, як правило, існують на матриці або межах зерен виливків із магнієвого сплаву, спричиняючи втомні тріщини в сплаві та знижуючи властивості механічної та корозійної стійкості. Додавання рідкоземельних елементів може не тільки зменшити кількість включень, але також уточнити розмір зерен і поліпшити характеристики сплаву.
Коли рідкоземельний елемент Ce додається до магнієвого сплаву AM50, Ce відіграє роль у очищенні сплаву, зменшуючи домішки, такі як Fe та Ni. Додавання Y може зменшити розмір зерна екструдованого сплаву Mg Zn Zr, а розмір зерна, який не містить, може зменшитися з 14,2 мкм до 3,2 мкм, впавши до 3% (масова частка). Зниження досягає 77%.
1. Вплив рідкоземельних елементів на механічні властивості магнієвого сплаву
Система 1,1 Mg Al RE
Магнієві сплави серії Mg Al наразі є найрізноманітнішою та широко використовуваною серією магнієвих сплавів. Рідкоземельні елементи, додані до магнієвих сплавів серії Mg Al, в основному включають Ce, Y, Nd тощо. Сплави на основі Mg Al без рідкоземельних елементів в основному включають - дендрити Mg та інтерметалічні сполуки, розподілені між дендритами - фазу Mg17Al12; А коли до сплавів на основі Mg-3% Al додають рідкоземельні елементи, - дендрити Mg стають дрібнішими, інтерметалічні сполуки - фаза Mg17Al12 замінюється на Al11RE3 і A12RE.
Фаза Al11RE3 в основному стабільна при 200 градусах. У міру підвищення температури фаза Al11RE3 перетворюється на фазу Al2RE. Це також свідчить про умовність стабільності Al11RE3.
Після додавання рідкоземельних елементів міцність сплаву підвищується як при кімнатній температурі, так і при 200 градусах, подовження залишається на відносно високому рівні. Збільшення міцності після додавання рідкоземельних елементів може бути пов’язане з такими факторами: по-перше, утворення великої кількості інтерметалічної сполуки Al11RE3 відіграє значну роль у зміцненні меж дендритів; По-друге, додавання рідкоземельних елементів покращило дендритні рукави та сприяло підвищенню міцності; Нарешті, додавання рідкоземельних елементів, особливо Y, підвищить міцність матриці магнію через зміцнення твердого розчину.
1.2 Система Mg-Zn-RE
Сплави на основі Mg Zn широко використовуються в деформованих магнієвих сплавах і мають хорошу здатність зміцнювати старіння. До сплавів Mg Zn додається багато типів рідкоземельних елементів, таких як Y, Er, Gd, Nd, Ce тощо. Після додавання рідкоземельних елементів механічні властивості сплаву покращуються, оскільки рідкоземельні елементи можуть покращувати зернистість і форма зміцнення фаз у сплаві, підвищення міцності сплаву.
Додавання рідкоземельних елементів Ce і Gd до литого сплаву Mg-3.8Zn-2.2Ca призвело до підвищення міцності на розрив із 123,8 МПа до 146,1 і 130,6 МПа, а також збільшення подовження з 2,4% до 3,5% і 2,9% відповідно.
Просте вивчення додавання рідкоземельних елементів до литих сплавів не може задовольнити вимоги до міцності сплавів. Все більше і більше дослідників починають вивчати подвійний вплив деформації та додавання рідкоземельних елементів на властивості сплаву. Порівняльне дослідження литих і екструдованих сплавів Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr виявило значне покращення механічних властивостей після екструзії, міцності на розрив, межі текучості , а подовження зросло з 168105 МПа і 1,8% до 363317 МПа і 12% відповідно. Покращення механічних властивостей пояснюється ефектом подрібнення зерна після екструзії сплаву. Механічні властивості сплаву Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce після екструзії також покращилися: межа текучості зросла з 209 МПа до 232 МПа, міцність на розрив залишилася практично незмінною, і подовження зросло з 11,5% до 14,7%. Порівняно з литим сплавом M-12Zn-1.5Er механічні властивості екструдованого сплаву значно покращилися.
Система 1,3 Mg Li RE
Mg Li сплав є найлегшою серією магнієвих сплавів. Після додавання рідкоземельних елементів поліпшуються механічні властивості сплаву Mg Li за рахунок зміцнення твердого розчину та утворення малих і дисперсних інтерметалічних сполук. Існує багато типів рідкоземельних елементів, доданих до сплавів Mg Li, таких як Y, Ce, Nd тощо.
Додавання рідкоземельних елементів до сплаву Mg-5Li-3Al-2Zn призводить до утворення фаз Al2RE або Al3RE та зменшення фаз AlLi. З додаванням рідкоземельних елементів міцність сплаву на розрив зростає зі збільшенням кількості добавки. Однак, коли кількість добавки перевищує 1,5% (масова частка), міцність на розрив послаблюється. Тенденція зміни подовження така ж, як і міцності на розрив. Коли кількість додавання становить 1,5% (масова частка), Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE має оптимальну міцність на розрив і подовження, які становлять 206,5 МПа та 14,4% відповідно.
Nd також може покращити міцність на розрив і подовження сплавів. Коли вміст Nd становить 2.0% (масова частка), міцність на розрив сплаву Mg-8Li-3Al досягає піку 185,95 МПа, а коли вміст Nd становить 1,6 % (масова частка), подовження досягає піку 16,3%. Покращення механічних властивостей пояснюється зменшенням додавання Nd. Розмір фази та розподіл нової фази Al2Nd на межі розділу фаз обмежують ковзання. BinJiang та ін. досліджували вплив Ce та Y на властивості сплаву Mg-8Li-2Zn. Дослідження виявили, що додавання 0.5% (масової частки) Ce та Y до сплаву Mg-8Li-2Zn може покращити міцність, і за тих самих умов вплив Y є більш значним, ніж Ce. Додавання 0.5% (масової частки) Y одночасно збільшило подовження сплаву Mg-8Li-2Zn, тоді як Ce зменшило видовження.
1.4 Інше
Для сплаву Mg-4Y-4Sm-0.5Zr міцність на розрив і межа текучості дещо послаблюються зі збільшенням температури екструзії; Навпаки, зі збільшенням температури екструзії після старіння міцність на розрив і межа текучості збільшуються. Коли сплав витримується при 200 градусах протягом 16 годин, сплав, екструдований при 400 градусах, має оптимальні механічні властивості з міцністю на розрив 400 МПа, межею текучості, що перевищує 300 МПа, і подовженням 7%. Після 14 циклів екструзійного стиснення межа текучості, міцність на розрив і подовження сплаву Mg-10Gd-2Y-0.5Zr збільшилися на 20%, 8,2% і 150%, відповідно.
Додавання рідкоземельного елемента Ce до сплаву M-3Sn-2Ca може значно покращити механічні властивості сплаву, коли вміст Ce досягає 1,5% (масова частка) або більше. Коли вміст Ce становить 2% (масова частка), збільшення міцності на розрив, межі текучості та подовження при кімнатній температурі становить 24,4%, 28,6% і 73,7% відповідно. Збільшення на 150 градусів становить 22,4%, 28,8% і 56% відповідно.
Рідкоземельний елемент Y також може підвищити міцність сплавів. Коли кількість додавання становить 1,5% (масова частка), механічні властивості сплаву є оптимальними, з міцністю на розрив, межею текучості та подовженням при кімнатній температурі 150, 137MPa та 3,2%, відповідно, із збільшенням на 18,1%, 22,3 % і 68,4 %. Відповідні збільшення на 150 градусів становлять 19,8%, 24% і 54,9% відповідно. У дослідженні ChengWeili було також виявлено, що Ce може покращити механічні властивості Mg-5Sn-4Zn.
HNRE виробляє всі вищезазначені магнієві рідкісноземельні сплави, деякі з яких досить популярні, як Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er основні сплави. Усі компоненти та співвідношення можна налаштувати відповідно до вимог замовника.