Influencia de los elementos de tierras raras en las propiedades mecánicas de las aleaciones de magnesio
El magnesio y sus aleaciones, como los materiales estructurales metálicos más ligeros en la actualidad, tienen ventajas como baja densidad, alta resistencia específica y rigidez, alta amortiguación, buena conductividad térmica, excelente maquinabilidad, tamaño de pieza estable y fácil reciclaje. Se utilizan ampliamente en industrias como la aeronáutica, aeroespacial, automotriz, transporte, electrónica, comunicaciones e informática.
Debido a las propiedades mecánicas insuficientes y la mala resistencia a la corrosión, las aleaciones de magnesio están limitadas en su aplicación generalizada en la producción y la vida diaria. Sin embargo, cuando se agrega una pequeña cantidad de tierras raras, las diversas propiedades de las aleaciones de magnesio se pueden mejorar en gran medida. Los elementos de tierras raras se encuentran en el grupo IIIB de la tabla periódica. La estructura electrónica más externa de los átomos es la misma, ambos tienen dos electrones, mientras que la segunda estructura electrónica externa es similar. El número de electrones en el orbital 4f en la tercera a la última capa varía de 0 a 14; Las propiedades químicas no son significativamente diferentes y todos son muy activos. Las aleaciones de magnesio y los elementos de tierras raras tienen una estructura cristalina hexagonal densa, por lo que los elementos de tierras raras tienen una alta solubilidad sólida en aleaciones de magnesio. A excepción del Sc, los otros 16 elementos de tierras raras pueden formar fases eutécticas con Mg, y la mayoría de los elementos de tierras raras tienen una alta solubilidad sólida en Mg.
Efecto de los elementos de tierras raras en la purificación y el refinamiento del grano de la aleación de magnesio
El magnesio tiene propiedades químicas activas y es propenso a reaccionar con O2 y H2O para formar MgO, lo que da como resultado la presencia de inclusiones de óxido en las aleaciones de magnesio, lo que reduce la calidad y el rendimiento de las aleaciones de magnesio. Las inclusiones oxidadas generalmente existen en la matriz o en los límites de grano de las piezas fundidas de aleación de magnesio, lo que provoca grietas por fatiga en la aleación y reduce las propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión. La adición de elementos de tierras raras no solo puede reducir la cantidad de inclusiones, sino también refinar el tamaño del grano y mejorar el rendimiento de la aleación.
Cuando se añade el elemento de tierras raras Ce a la aleación de magnesio AM50, Ce desempeña un papel en la purificación de la aleación, reduciendo impurezas como Fe y Ni. La adición de Y puede reducir el tamaño de grano de la aleación de Mg Zn Zr extruida, y el tamaño de grano que no contiene puede reducirse de 14,2 μm a 3,2 μm, cayendo al 3% (fracción de masa). La disminución es tan alta como 77%.
1. Influencia de los elementos de tierras raras en las propiedades mecánicas de la aleación de Mg
Sistema RE de 1,1 Mg Al
Las aleaciones de magnesio de la serie Mg Al son actualmente la serie de aleaciones de magnesio más diversa y ampliamente utilizada. Los elementos de tierras raras agregados a las aleaciones de magnesio de la serie Mg Al incluyen principalmente Ce, Y, Nd, etc. Las aleaciones basadas en Mg Al sin elementos de tierras raras incluyen principalmente: dendritas de Mg y compuestos intermetálicos distribuidos entre las dendritas: fase Mg17Al12; y cuando se agregan elementos de tierras raras a las aleaciones basadas en Mg-3% Al, las dendritas de Mg se vuelven más finas, los compuestos intermetálicos: la fase Mg17Al12 se reemplaza por Al11RE3 y A12RE.
La fase Al11RE3 es básicamente estable a 200 grados. A medida que la temperatura continúa aumentando, la fase Al11RE3 se transformará en la fase Al2RE. Esto también indica que la estabilidad de Al11RE3 es condicional.
Después de añadir elementos de tierras raras, la resistencia de la aleación aumenta tanto a temperatura ambiente como a 200 grados, el alargamiento se mantiene en un nivel relativamente alto. El aumento de la resistencia después de añadir elementos de tierras raras puede estar relacionado con los siguientes factores: en primer lugar, la formación de una gran cantidad de compuesto intermetálico Al11RE3 juega un papel importante en el fortalecimiento de los límites dendríticos; en segundo lugar, la adición de elementos de tierras raras refinó los brazos dendríticos y promovió la mejora de la resistencia; finalmente, la adición de elementos de tierras raras, especialmente Y, mejorará la resistencia de la matriz de Mg a través del fortalecimiento de la solución sólida.
1.2 Sistema Mg-Zn-RE
Las aleaciones a base de MgZn se utilizan ampliamente en aleaciones de magnesio deformadas y tienen una buena capacidad de fortalecimiento por envejecimiento. Hay muchos tipos de elementos de tierras raras agregados a las aleaciones de MgZn, como Y, Er, Gd, Nd, Ce, etc. Después de agregar elementos de tierras raras, las propiedades mecánicas de la aleación mejoran, porque los elementos de tierras raras pueden refinar el tamaño del grano y formar fases de fortalecimiento en la aleación, mejorando la resistencia de la aleación.
La adición de elementos de tierras raras Ce y Gd a la aleación fundida Mg-3.8Zn-2.2Ca resultó en un aumento de la resistencia a la tracción de 123,8 MPa a 146,1 y 130,6 MPa, y un aumento del alargamiento del 2,4% al 3,5% y 2,9%, respectivamente.
El simple estudio de la adición de elementos de tierras raras a las aleaciones fundidas no puede satisfacer los requisitos de resistencia de las aleaciones. Cada vez más investigadores están empezando a estudiar los efectos duales de la deformación y la adición de elementos de tierras raras en las propiedades de las aleaciones. Un estudio comparativo de aleaciones de Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr fundidas y extruidas reveló una mejora significativa en las propiedades mecánicas después de la extrusión, con una resistencia a la tracción, un límite elástico y una elongación que aumentaron de 168105 MPa y 1,8% a 363317 MPa y 12%, respectivamente. La mejora de las propiedades mecánicas se atribuye al efecto del refinamiento del grano después de la extrusión de la aleación. Las propiedades mecánicas de la aleación Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce después de la extrusión también se han mejorado, con un límite elástico aumentado de 209 MPa a 232 MPa, la resistencia a la tracción se mantuvo básicamente sin cambios y el alargamiento aumentó del 11,5% al 14,7%. En comparación con la aleación fundida M-12Zn-1.5Er, las propiedades mecánicas de la aleación extruida se han mejorado significativamente.
Sistema de energía eólica de 1,3 mg de litio
La aleación MgLi es la serie más ligera de aleaciones de magnesio. Después de agregar elementos de tierras raras, las propiedades mecánicas de la aleación MgLi se mejoran mediante el fortalecimiento de la solución sólida y la formación de compuestos intermetálicos pequeños y dispersos. Hay muchos tipos de elementos de tierras raras agregados a las aleaciones MgLi, como Y, Ce, Nd, etc.
La adición de elementos de tierras raras a la aleación Mg-5Li-3Al-2Zn da como resultado la formación de fases Al2RE o Al3RE y una disminución de las fases AlLi. Con la adición de elementos de tierras raras, la resistencia a la tracción de la aleación aumenta con el aumento de la cantidad de adición. Sin embargo, cuando la cantidad de adición supera el 1,5% (fracción de masa), la resistencia a la tracción se debilita. La tendencia del cambio de elongación es la misma que la de la resistencia a la tracción. Cuando la cantidad de adición es del 1,5% (fracción de masa), Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE tiene la resistencia a la tracción y elongación óptimas, que son 206,5 MPa y 14,4%, respectivamente.
El Nd también puede mejorar la resistencia a la tracción y la elongación de las aleaciones. Cuando el contenido de Nd es del 2,1% (fracción de masa), la resistencia a la tracción de la aleación Mg-8Li-3Al alcanza un pico de 185,95 MPa, y cuando el contenido de Nd es del 1,6% (fracción de masa), la elongación alcanza un pico del 16,3%. La mejora de las propiedades mecánicas se atribuye a la reducción de la adición de Nd. El tamaño de la fase y la distribución de la nueva fase Al2Nd en el límite de fase restringen el deslizamiento. BinJiang et al. investigaron los efectos de Ce e Y en las propiedades de la aleación Mg-8Li-2Zn. La investigación ha descubierto que añadir 0,5% (fracción de masa) de Ce e Y a la aleación Mg-8Li-2Zn puede mejorar la resistencia y, en las mismas condiciones, el efecto de Y es más significativo que el de Ce. La adición de 0.5% (fracción de masa) de Y aumentó simultáneamente el alargamiento de la aleación Mg-8Li-2Zn, mientras que Ce redujo el alargamiento.
1.4 Otros
Para la aleación Mg-4Y-4Sm-0.5Zr, la resistencia a la tracción y el límite elástico se debilitan ligeramente con el aumento de la temperatura de extrusión; por el contrario, con el aumento de la temperatura de extrusión después del envejecimiento, la resistencia a la tracción y el límite elástico aumentan. Cuando la aleación se envejece a 200 grados durante 16 horas, la aleación extruida a 400 grados tiene las propiedades mecánicas óptimas, con una resistencia a la tracción de 400 MPa, un límite elástico superior a 300 MPa y un alargamiento del 7%. Después de 14 ciclos de compresión por extrusión, el límite elástico, la resistencia a la tracción y el alargamiento de la aleación Mg-10Gd-2Y-0.5Zr aumentaron en un 20%, 8,2% y 150%, respectivamente.
La adición de tierras raras Ce a la aleación M-3Sn-2Ca puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas de la aleación cuando el contenido de Ce alcanza el 1,5 % (fracción de masa) o más. Cuando el contenido de Ce es del 2 % (fracción de masa), el aumento de la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento a temperatura ambiente es del 24,4 %, 28,6 % y 73,7 %, respectivamente. El aumento a 150 grados es del 22,4 %, 28,8 % y 56 %, respectivamente.
El elemento de tierras raras Y también puede mejorar la resistencia de las aleaciones. Cuando la cantidad añadida es del 1,5% (fracción de masa), las propiedades mecánicas de la aleación son óptimas, con resistencia a la tracción, límite elástico y alargamiento a temperatura ambiente de 150, 137 MPa y 3,2%, respectivamente, con aumentos del 18,1%, 22,3% y 68,4%. Los aumentos correspondientes a 150 grados son del 19,8%, 24% y 54,9%, respectivamente. En la investigación de ChengWeili, también se descubrió que Ce puede mejorar las propiedades mecánicas de Mg-5Sn-4Zn.
HNRE produce todas las aleaciones de tierras raras de magnesio mencionadas anteriormente, algunas de las cuales son bastante populares, como las aleaciones maestras Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er. Todos los componentes y proporciones se pueden personalizar según los requisitos del cliente.