Comportamento di solubilità dell'ittrio nelle leghe Mg-Y e percorso di lavorazione consigliato

Leleghe magnesio-attrio (Mg-Y) hanno guadagnato sempre più attenzione nelle applicazioni strutturali leggere grazie al loro eccellente rapporto resistenza-peso e alla stabilità termica. In particolare, Mg-1 at.% Y è una composizione rappresentativa per studiare la solubilità dell'ittrio e la sua influenza sulle prestazioni della lega. Questo articolo illustra il comportamento della solubilità dell'Y nel Mg, i parametri di lavorazione chiave e un percorso pratico per produrre una soluzione solida di Mg-Y di alta qualità e completamente disciolta.

1. Composizione della lega e obiettivi di solubilità

La lega di base qui discussa è Mg-1 a.% Y, prodotta utilizzando magnesio di elevata purezza ≥99,99%. L 'ittrio, un elemento delle terre rare con solubilità limitata a temperatura ambiente, può dissolversi significativamente nella matrice α-Mg a temperature elevate. Il raggiungimento della piena solubilità è fondamentale, non solo per le prestazioni meccaniche, ma anche per sopprimere la formazione di composti intermetallici come Mg₂₄Y₅ o Mg₄₂Y₅, che tendono a infragilire la lega.

L'obiettivo è produrre una soluzione solida uniforme in cui Y sia completamente incorporato nella matrice α-Mg. Ciò migliora la resistenza alla corrosione, la stabilità termica e la forza, evitando al contempo precipitati indesiderati che potrebbero formarsi durante la lavorazione o il servizio.

2. Meccanismo di solubilità dell'ittrio nel magnesio

L'ittrio si dissolve nel magnesio seguendo un comportamento standard di solubilità sostitutiva. Ad alte temperature (superiori a 500 °C), gli atomi di Y possono effettivamente occupare posizioni all'interno della matrice di Mg. Tuttavia, a causa del ristretto intervallo di solubilità solida dell'Y nel Mg a temperature inferiori, è essenziale un controllo preciso della storia termica.

Da un punto di vista termodinamico, la temperatura è la principale forza motrice della dissoluzione, mentre il tempo e l'atmosfera fungono da fattori di supporto. Mantenendo la lega a una temperatura sufficientemente elevata, la diffusione avviene in modo uniforme. La fase di raffreddamento deve essere gestita con attenzione per evitare la precipitazione di fasi secondarie ricche di Y. Inoltre, l'ambiente inerte o semi-inerte deve essere mantenuto inalterato. Inoltre, sono necessari gas protettivi inerti o semi-inerti per prevenire l'ossidazione dell'Y durante la fusione e il trattamento termico, garantendo la stabilità chimica.

3. Percorso di lavorazione consigliato

Per sciogliere completamente l'Y nel magnesio, si raccomanda il seguente percorso di produzione:

Fusione e lega

La lega deve essere preparata mescolando Mg di elevata purezza con una lega master di Mg-25 wt.% di Y. La fusione deve essere eseguita in un forno a induzione a circa 760 °C, in un'atmosfera protettiva di 99% CO₂ e 1% SF₆. Questa miscela di gas protegge efficacemente la fusione dall'ossigeno, evitando l'ossidazione dell'elemento di terra rara. Lo stampo deve essere preriscaldato a 200-300 °C, per migliorare il flusso del metallo e ridurre i gradienti termici durante la colata.

Colata e raffreddamento

Una volta fusa e omogeneizzata, la lega viene versata nello stampo sotto protezione continua di gas. La velocità di raffreddamento deve essere controllata con attenzione: se troppo veloce, la lega può soffrire di stress termico; se troppo lenta, si possono formare fasi intermetalliche indesiderate. Un profilo di raffreddamento moderato assicura sia la stabilità delle fasi che l'affinamento dei grani.

Trattamento in soluzione e tempra

Dopo la colata, la lega viene sottoposta a un trattamento termico in soluzione a 525 °C per 15 ore. Ciò consente alle particelle ricche di Y rimaste di dissolversi completamente nella matrice di Mg. Anche in questo caso, un'atmosfera protettiva è essenziale per mantenere la qualità della superficie e la pulizia interna. La lega trattata termicamente viene poi raffreddata in acqua calda (~70 °C) per evitare la precipitazione di fasi secondarie durante il raffreddamento.

4. Flessibilità operativa e note pratiche

I parametri sopra descritti sono raccomandati, ma possono essere adattati in base alle limitazioni delle apparecchiature o alla scala di produzione. Gli operatori devono dare priorità alla distribuzione uniforme della temperatura, al controllo rigoroso dell'atmosfera e alla tempistica precisa durante ogni fase. Problemi comuni come la perdita di gas, il surriscaldamento locale o il ritardo nello spegnimento possono portare alla formazione di inclusioni o alla precipitazione di intermetalli, entrambi fattori che compromettono la qualità della lega.

Occorre prestare attenzione anche alla progettazione dello stampo e alle pratiche di agitazione della colata. Ridurre al minimo la turbolenza durante la colata e utilizzare crogioli a pareti lisce aiuta a mantenere l'omogeneità chimica del prodotto finale.

Riferimenti

Numerosi studi e documenti tecnici con revisione paritaria supportano il processo e il meccanismo di solubilità delineati:

1. Effects of Y Additions on the Microstructures and Mechanical Behaviours of as-Cast Mg-xY-0.5Zr Alloys, Advanced Engineering Materials, 2022.

2. Microdurezza e corrosione in vitro della lega biodegradabile Mg-Y-Ag trattata termicamente, PMC, 2017.

3. Effetto del tempo di trattamento in soluzione sull'evoluzione della microstruttura e sulle proprietà della lega Mg-3Y-4Nd-2Al, Materials (MDPI), 2023.

4. Thermodynamic and Microstructural Evolution in Mg-Y Binary Alloys during Solidification, Wiley Online Library, 2021.