Поведение растворимости иттрия в сплавах Mg-Y и рекомендуемый маршрут обработки

Магний-иттриевые (Mg-Y) сплавы привлекают все большее внимание при использовании в легких конструкциях благодаря превосходному соотношению прочности и веса и термической стабильности. В частности, сплав Mg-1 ат.% Y является представительным составом для изучения растворимости иттрия и его влияния на характеристики сплава. В данной статье описывается поведение растворимости Y в Mg, ключевые параметры обработки и практический маршрут получения высококачественного, полностью растворенного твердого раствора Mg-Y.

1. Состав сплава и цели растворимости

Базовым сплавом, рассматриваемым здесь, является Mg-1 ат.% Y, полученный с использованием ≥99,99% магния высокой чистоты. Иттрий, редкоземельный элемент с ограниченной растворимостью при комнатной температуре, может значительно растворяться в матрице α-Mg при повышенных температурах. Достижение полной растворимости имеет решающее значение не только для механических характеристик, но и для подавления образования интерметаллических соединений, таких как Mg₂₄Y₅ или Mg₄₂Y₅, которые склонны к охрупчиванию сплава.

Цель состоит в том, чтобы получить однородный твердый раствор, в котором Y полностью включен в матрицу α-Mg. Это повышает коррозионную стойкость, термическую стабильность и прочность, позволяя избежать нежелательных осадков, которые могут образоваться в процессе обработки или эксплуатации.

2. Механизм растворимости иттрия в магнии

Иттрий растворяется в магнии по стандартной схеме замещенной растворимости. При высоких температурах (выше 500 °C) атомы Y могут эффективно занимать места в матрице Mg. Однако из-за узкого диапазона твердой растворимости Y в Mg при более низких температурах необходим точный контроль над термической историей.

С точки зрения термодинамики, температура является основной движущей силой растворения, а время и атмосфера служат вспомогательными факторами. Выдерживание сплава при достаточно высокой температуре позволяет диффузии происходить равномерно. Стадия охлаждения должна быть тщательно продумана, чтобы предотвратить выпадение вторичных фаз с высоким содержанием Y. Кроме того, для предотвращения окисления Y во время плавки и термообработки необходимы инертные или полуинертные защитные газы, обеспечивающие химическую стабильность.

3. Рекомендуемый маршрут обработки

Для полного растворения Y в магнии рекомендуется следующий технологический маршрут:

Плавление и легирование

Сплав должен быть приготовлен путем смешивания высокочистого Mg с эталонным сплавом Mg-25 масс.% Y. Плавку следует проводить в индукционной печи при температуре около 760 °C в защитной атмосфере, состоящей из 99% CO₂ и 1% SF₆. Эта газовая смесь эффективно защищает расплав от воздействия кислорода, предотвращая окисление редкоземельных элементов. Форма должна быть предварительно нагрета до 200-300 °C, что улучшает текучесть металла и уменьшает тепловые градиенты во время литья.

Литье и охлаждение

После расплавления и гомогенизации сплав заливается в форму под непрерывной газовой защитой. Скорость охлаждения необходимо тщательно контролировать - слишком быстрое охлаждение может привести к возникновению термического напряжения в сплаве, слишком медленное - к образованию нежелательных интерметаллических фаз. Умеренный профиль охлаждения обеспечивает как стабильность фаз, так и измельчение зерна.

Обработка раствором и закалка

После литья сплав подвергается термообработке в растворе при температуре 525 °C в течение 15 часов. Это позволяет оставшимся частицам с высоким содержанием Y полностью раствориться в Mg-матрице. Для поддержания качества поверхности и внутренней чистоты опять же необходима защитная атмосфера. Затем термообработанный сплав закаливают в горячей воде (~70 °C), чтобы предотвратить выпадение вторичных фаз при охлаждении.

4. Эксплуатационная гибкость и практические замечания

Хотя приведенные выше параметры являются рекомендуемыми, они могут быть скорректированы в зависимости от ограничений оборудования или масштабов производства. Операторы должны уделять первостепенное внимание равномерному распределению температуры, строгому контролю атмосферы и точному соблюдению времени на каждой стадии. Такие распространенные проблемы, как утечка газа, локальный перегрев или задержка закалки, могут привести к образованию включений или выпадению интерметаллидов, что ухудшает качество сплава.

Также следует обратить внимание на конструкцию пресс-формы и методы перемешивания расплава. Минимизация турбулентности при заливке и использование тиглей с гладкими стенками помогает сохранить химическую однородность конечного продукта.

Ссылки

Несколько рецензируемых исследований и технических документов подтверждают описанный процесс и механизм растворимости:

1. Влияние добавок Y на микроструктуру и механическое поведение литых сплавов Mg-xY-0,5Zr, Advanced Engineering Materials, 2022.

2. Микротвердость и коррозия in vitro термообработанного биоразлагаемого сплава Mg-Y-Ag, PMC, 2017.

3. Влияние времени обработки раствором на эволюцию микроструктуры и свойства сплава Mg-3Y-4Nd-2Al, Materials (MDPI), 2023.

4. Термодинамическая и микроструктурная эволюция в бинарных сплавах Mg-Y при затвердевании, Wiley Online Library, 2021.