Вплив самарію на мікроструктуру та корозійну стійкість магнієвого сплаву AZ91, обробленого ультразвуковою вібрацією

Ян Чень

1 Інститут удосконаленого формування, Наньчанський університет, Наньчан 330031, Китай; moc.361@fb_gnaynehC (YC); moc.361@4111nineneZZ (Z.Y.); moc.361@hw_gnohnay (H.Y.); moc.anis@771_gnohy (X.-Q.W.)

Чжен Інь

Хонг Янь

2 ключові лабораторії приготування та обробки легких сплавів у місті Наньчан, Наньчан 330031, Китай

Го-Хуа Чжоу

3 Фізичний науково-технічний коледж, Університет Ічунь, Ічунь 336000, Китай; moc.361@5067hgz

Сяо-Цюань Ву

Чжи Ху

2 ключові лабораторії приготування та обробки легких сплавів у місті Наньчан, Наньчан 330031, Китай

Анотація

Вплив самарію (Sm) на мікроструктуру та поведінку корозії магнієвого сплаву AZ91, обробленого ультразвуковою вібрацією, досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії, рентгенівської дифракції, трансмісійної електронної мікроскопії та електрохімічних вимірювань. Результати показали, що додавання Sm призвело до утворення Al2Sm, який зменшив об'ємну частку фази β-Mg17Al12 і змінив її морфологію на дрібнозернисту. Сплави AZ91 – Sm, оброблені ультразвуковою вібрацією, виявили порівняно менші показники втрати ваги, виділення водню та щільності струму корозії порівняно зі сплавом AZ91, обробленим ультразвуком, приготованим без Sm. Локально, груба β-фаза в обробленому ультразвуком сплаві AZ91 прискорила можливість мікрогальванічної корозії, що проростає в матрицю. У підготовлених сплавах AZ91 – Sm, оброблених ультразвуковою вібрацією, дрібні фази β та Al2Sm зменшували ймовірність зростання мікрогальванічної корозії і, отже, утворювали рівномірний корозійний шар на поверхні сплавів.

1. Вступ

Як найлегші металеві матеріали, магній (Mg) та його сплави є корисними матеріалами для аерокосмічної, автомобільної та електронної промисловості [1,2]. Багато магнієвих сплавів також слід використовувати як біологічно розкладаються матеріали для медичного застосування [1,2]. Mg та його сплави мають багато чудових властивостей, таких як оброблюваність, здатність до лиття, біосумісність та властивості антиелектромагнітного випромінювання [3]. Зокрема, сплави AZ91 широко використовуються завдяки їх чудовим механічним властивостям, включаючи високі демпфіруючі характеристики, чудову електромагнітну екранізацію та можливість переробки [4,5]. Проте корозія залишається особливим занепокоєнням Mg та його сплавів через їх активні хімічні властивості та низьку рівноважну напругу Mg, що призводить до поганої корозійної стійкості [6,7,8].

В останні роки дослідники виявили, що додавання рідкісноземельних елементів може очистити розплав, вдосконалити мікроструктуру та посилити такі властивості, як міцність або твердість при кімнатних або підвищених температурах та корозійна стійкість сплавів Mg [6,7] . Серія сплавів AE (Mg-Al-RE) заснована на додаванні рідкісноземельних елементів. Ці матеріали виявляють підвищену стійкість до повзучості завдяки повному інгібуванню інтерметалічної сполуки Mg17Al12 та утворенню високостійких фаз Al – RE, таких як Al2RE, Al3RE або інших фаз RE [9]. Фаза, багата на РЕ, включаючи Al2Yb [10], Al2Y [11], Al11Nd3 [12] та Al3Er, відіграє вирішальну роль у покращенні корозійної стійкості магнієвих сплавів [3]. Ву та ін. [13], наприклад, виявив, що додавання самарію (Sm) до сплаву AZ92 зменшувало об'ємну частку фази β-Mg17Al12 з 0,29% до 0,075% із збільшенням вмісту Sm. Швидкість корозії сплаву AZ92 з додаванням 0,5 мас.% Sm зменшилась на 54% порівняно з показником лише матриці. Загалом Sm з найвищим атомним числом серед легких рідкісноземельних елементів є одним з найефективніших елементів РЕ для очищення інтерметалідних сполук та поліпшення корозійної стійкості магнієвих сплавів [14].

На додаток до використання елементів РЕ в якості інтерметалідних очищувачів у сплавах Mg, фізичні методи, такі як ультразвукова вібрація, також можуть бути використані для уточнення розміру зерен під час затвердіння [15]. Багато досліджень продемонстрували, що ультразвукова вібраційна обробка сплавів може ефективно підвищити пластичність [16], подовження [17], міцність на розрив [18] і твердість [19], з вдосконаленням другої фази та поліпшенням мікроструктури. Чжан та ін. [20,21] досліджував вплив ультразвукової вібрації високої інтенсивності на морфологію та механічні властивості бінарного сплаву Mg – Al та спостерігав, що ультразвукова обробка мала великий вплив на розмір та мікроструктуру фази β-Mg17Al12. Фаза β-Mg17Al12 стала тоншою, більш однорідною і прийняла розривчасту форму мережі. Хоча механічні властивості магнієвих сплавів, оброблених ультразвуком, інтенсивно досліджувались, мало уваги приділялося корозійній стійкості цих оброблених магнієвих сплавів. Таким чином, метою цієї роботи було дослідити вплив Sm на еволюцію мікроструктури та корозійну поведінку сплавів магнію AZ91, оброблених ультразвуковою вібрацією, шляхом визначення морфології, розміру та розподілу другої фази в цих сплавах.

2. Експериментальний

2.1. Підготовка матеріалу та мікроструктурне спостереження

Таблиця 1

Склад (мас.%) Сплавів магнію AZ91 – xSm, оброблених ультразвуковою вібрацією.

Сплав AlMnZnSmMg

AZ91	9.23	0,29	0,67	---	Бал.
AZ91–0,5Sm	9.04	0,35	0,82	0,44	Бал.
AZ91–1,0См	9.12	0,17	0,55	0,95	Бал.
AZ91–1,5Sm	8,87	0,26	0,90	1.39	Бал.

2.2. Тестування занурення

Швидкість корозії оцінювали шляхом вимірювання (1) кількості водню, що виділився під час корозії у водному розчині 3,5 мас.% NaCl та (2) втрати ваги зразків. Випробовувані зразки розрізали на квадрати 10 × 10 × 10 мм за допомогою дроту, потім поверхню кожного зразка змочували на шліфувальний папір мокрим покриттям до 1200 пісок, очищали дистильованою водою і сушили в стисненому гарячому повітрі . Всі зразки зважували за допомогою електронної ваги з точністю до 0,001 г, а потім занурювали в розчин NaCl на 24 години. Після випробування на занурення з'їдені зразки очищали дистильованою водою та сушили. Потім їх занурювали у водний розчин (200 г/л CrO3 + 10 г/л AgNO3) на 5–10 хв для видалення продуктів корозії. Зразки швидко промивали дистильованою водою, сушили прохолодним вітром і знову зважували. Щоб виміряти реакцію виділення водню, ми записали початкове і кінцеве значення. Експериментальна установка для цього дослідження показана на малюнку 1. Швидкість корозії розраховували за допомогою рівняння (1):

де V (мг · см –2 · день –1 або мл · см –2 · день –1) являє собою швидкість корозії, ΔM (мг або мл) - різниця ваги або різниця об’ємів під час випробування на занурення, А (см 2) - загальна площа зразка, а t (дні) - час корозії. Всі експерименти проводили при кімнатній температурі і повторювали п'ять разів для гарної відтворюваності. Ми розрахували середнє значення п'яти експериментів.

Схема обладнання для випробувань на корозію.

2.3. Електрохімічне випробування

Електрохімічні випробування кожного сплаву проводили, використовуючи триелектродну конфігурацію плоских комірок з платиновою сіткою в якості протилежного електрода, насиченою каломеллю в якості електрода порівняння та зразка як робочого електрода. Для підготовки зразків до випробувань зразки розрізали на кубики розмірами 10 мм × 10 мм × 1 мм і подрібнювали папером SiC з 1000 піщинок. Електроліт становив 3,5 мас.% Розчину NaCl в обсязі 400 мл. Вимірювання поляризації проводили за допомогою електрохімічної робочої станції Princeton P4000, з початковою швидкістю сканування 2 мВ/с та діапазоном потенціалу ± 350 мВ проти потенціалу розімкнутого ланцюга.

3. Результати

3.1. Мікроструктура

Початкові мікроструктури сплавів, оброблених ультразвуковою вібрацією, показані на малюнку 2а, що також показує, що первинна фаза (α-Mg) була розділена відносно грубою фазою β-Mg17Al12. На малюнку 2 b – d показана мікроструктура сплавів AZ91 – xSm (x = 0,5, 1, 1,5 мас.%). Розмір фази β-Mg17Al12 був очевидно меншим. Зі збільшенням кількості Sm фаза β-Mg17Al12 стає більш однорідною і розподіляється в гранульованому вигляді в сплаві, стаючи чітко вираженою при 1,5% Sm. Ми також можемо спостерігати деякі легкі білі частинки на цих зображеннях. Для подальшої перевірки ми використовували EDS для виявлення складу цих матеріалів. На малюнку 3 показано ЕЦП площ, позначених стрілками А і В на малюнку 2 a, b. Ми бачимо, що зернисті частинки на малюнку 2а (позначені стрілкою А) виготовлені з інтерметалічної сполуки Al – Mn. Подібним чином інтерметалідна сполука Al – Mn у магнієвому сплаві AZ61 характеризувалася Al8Mn5 [4], тоді як площа, позначена стрілкою B на малюнку 2 b, була фазою, багатою Sm.

SEM-зображення сплавів магнію AZ91 – xSm, оброблених ультразвуковою вібрацією, де x = (a) 0 мас.%; (b) 0,5 мас.%; (c) 1 мас.%; (d) 1,5 мас.%.