سلوك ذوبان الإيتريوم في سبائك Mg-Y وطريقة المعالجة الموصى بها

اكتسبت سبائك المغنيسيوم-الإيتريوم (Mg-Y) اهتمامًا متزايدًا في التطبيقات الهيكلية خفيفة الوزن نظرًا لنسبة قوتها إلى وزنها الممتازة وثباتها الحراري. وعلى وجه الخصوص، تُعد Mg-1 at.% Y تركيبة تمثيلية لدراسة قابلية ذوبان الإيتريوم وتأثيرها على أداء السبائك. توضح هذه المقالة سلوك ذوبان Y في المغنيسيوم Y، ومعلمات المعالجة الرئيسية، والطريق العملي لإنتاج محلول Mg-Y الصلب عالي الجودة والمذاب بالكامل.

1. تكوين السبيكة وأهداف الذوبان

إن السبيكة الأساسية التي نناقشها هنا هي Mg-1 بنسبة Y.%، ويتم إنتاجها باستخدام ≥99.99% من المغنيسيوم عالي النقاء. يمكن للإيتريوم، وهو عنصر أرضي نادر ذو قابلية ذوبان محدودة في درجة حرارة الغرفة، أن يذوب بشكل كبير في مصفوفة α-Mg في درجات حرارة مرتفعة. ويُعد تحقيق الذوبان الكامل أمرًا بالغ الأهمية، ليس فقط للأداء الميكانيكي، ولكن أيضًا لقمع تكوين مركبات بين فلزية مثل Mg₂₂₄Y₅ أو Mg₄₂₂₅، والتي تميل إلى تقويض السبيكة.

الهدف هو إنتاج محلول صلب موحد حيث يتم دمج Y بالكامل في مصفوفة α-Mg. وهذا يحسن مقاومة التآكل والاستقرار الحراري والقوة، مع تجنب الرواسب غير المرغوب فيها التي قد تتشكل أثناء المعالجة أو الخدمة.

2. آلية ذوبان الإيتريوم في المغنيسيوم

يذوب الإيتريوم في المغنيسيوم باتباع سلوك الذوبان الاستبدالي القياسي. في درجات الحرارة المرتفعة (فوق 500 درجة مئوية)، يمكن لذرات Y أن تحتل مواقع فعالة داخل مصفوفة المغنيسيوم. ومع ذلك، نظرًا لضيق نطاق الذوبان الصلب لـ Y في المغنيسيوم في درجات الحرارة المنخفضة، فإن التحكم الدقيق في التاريخ الحراري أمر ضروري.

من وجهة نظر ديناميكية حرارية، تُعد درجة الحرارة هي القوة الدافعة الأساسية للذوبان، حيث يعمل الوقت والغلاف الجوي كعاملين داعمين. يسمح تثبيت السبيكة عند درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية بحدوث الانتشار بشكل منتظم. ويجب إدارة مرحلة التبريد بعناية لمنع ترسيب المراحل الثانوية الغنية بال Y. وبالإضافة إلى ذلك، يلزم وجود غازات واقية خاملة أو شبه خاملة لمنع أكسدة Y أثناء الصهر والمعالجة الحرارية، مما يضمن الاستقرار الكيميائي.

3. مسار المعالجة الموصى به

لإذابة Y بالكامل في المغنيسيوم، يوصى باتباع مسار الإنتاج التالي:

الصهر والسبك

يجب تحضير السبيكة عن طريق خلط المغنيسيوم عالي النقاء مع سبيكة رئيسية من المغنيسيوم Y بنسبة 25 في المائة بالوزن بالوزن. يجب إجراء عملية الذوبان في فرن تحريضي عند درجة حرارة 760 درجة مئوية تقريبًا، تحت جو وقائي بنسبة 99% من ثاني أكسيد الكربون و1% من غاز الكبريت. يعمل هذا الخليط الغازي على حماية الذوبان من الأكسجين بشكل فعال، مما يؤدي إلى تجنب أكسدة العنصر الأرضي النادر. يجب أن يتم تسخين القالب مسبقًا إلى 200-300 درجة مئوية، مما يحسن تدفق المعدن ويقلل من التدرجات الحرارية أثناء الصب.

الصب والتبريد

بمجرد انصهار السبيكة وتجانسها، يتم صب السبيكة في القالب تحت حماية مستمرة من الغاز. يجب التحكّم في معدل التبريد بعناية - سريع جدًا، وقد تعاني السبيكة من الإجهاد الحراري؛ وبطيء جدًا، وقد تتشكل أطوار بينية معدنية غير مرغوب فيها. ويضمن معدل التبريد المعتدل استقرار الطور وصقل الحبيبات.

المعالجة بالمحلول والتبريد

بعد الصب، تخضع السبيكة لمعالجة حرارية بالمحلول عند درجة حرارة 525 درجة مئوية لمدة 15 ساعة. وهذا يسمح لأي جسيمات متبقية غنية بال Y بالذوبان بالكامل في مصفوفة المغنيسيوم. مرة أخرى، يعد الجو الوقائي ضروريًا للحفاظ على جودة السطح والنظافة الداخلية. يتم بعد ذلك إخماد السبيكة المعالجة حراريًا في الماء الساخن (حوالي 70 درجة مئوية) لمنع ترسيب المراحل الثانوية أثناء التبريد.

4. المرونة التشغيلية والملاحظات العملية

على الرغم من أن المعلمات الموضحة أعلاه موصى بها، إلا أنه يمكن تعديلها وفقًا لقيود المعدات أو حجم الإنتاج. يجب على المشغلين إعطاء الأولوية للتوزيع المنتظم لدرجة الحرارة، والتحكم الصارم في الغلاف الجوي، والتوقيت الدقيق خلال كل مرحلة. يمكن أن تؤدي المشكلات الشائعة مثل تسرب الغاز، أو ارتفاع درجة الحرارة الموضعي أو التبريد المتأخر إلى تكوين شوائب أو ترسيب المواد البينية، وكلاهما يضر بجودة السبيكة.

يجب الانتباه أيضًا إلى تصميم القالب وممارسات التحريك الذائب. يساعد تقليل الاضطراب أثناء الصب واستخدام بوتقات ملساء الجدران في الحفاظ على التجانس الكيميائي للمنتج النهائي.

المراجع

تدعم العديد من الدراسات والأبحاث الفنية التي تمت مراجعتها من قِبل الأقران العملية الموضحة وآلية الذوبان:

1. تأثيرات إضافات Y على البنى المجهرية والسلوكيات الميكانيكية لسبائك Mg-xY-0.5Zr المصبوبة، المواد الهندسيةالمتقدمة ، 2022.

2. الصلادة المجهرية والتآكل في المختبر لسبائك Mg-Y-Ag القابلة للتحلل الحيوي المعالجة حراريًا، PMC، 2017.

3. تأثير وقت المعالجة بالمحلول على تطور البنية المجهرية وخصائص سبيكة Mg-3Y-4Nd-2Aloy، المواد (MDPI)، 2023.

4. تطور الديناميكا الحرارية والبنية المجهرية في سبائك Mg-Y الثنائية أثناء التصلب، مكتبة ويلي على الإنترنت، 2021.