Löslichkeitsverhalten von Yttrium in Mg-Y-Legierungen und empfohlener Verarbeitungsweg

Magnesium-Yttrium (Mg-Y)-Legierungen haben aufgrund ihres hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und ihrer thermischen Stabilität zunehmende Aufmerksamkeit bei Leichtbauanwendungen erlangt. Insbesondere Mg-1 at.% Y ist eine repräsentative Zusammensetzung zur Untersuchung der Yttriumlöslichkeit und ihres Einflusses auf die Legierungsleistung. In diesem Artikel werden das Löslichkeitsverhalten von Y in Mg, wichtige Verarbeitungsparameter und ein praktischer Weg zur Herstellung eines hochwertigen, vollständig gelösten Mg-Y-Mischkristalls beschrieben.

1. Legierungszusammensetzung und Löslichkeitsvorgaben

Die hier behandelte Basislegierung ist Mg-1 at.% Y, hergestellt aus ≥99,99% hochreinem Magnesium. Yttrium, ein Seltenerdelement mit begrenzter Löslichkeit bei Raumtemperatur, kann sich bei höheren Temperaturen in der α-Mg-Matrix deutlich auflösen. Das Erreichen einer vollständigen Löslichkeit ist nicht nur für die mechanische Leistung entscheidend, sondern auch, um die Bildung von intermetallischen Verbindungen wie Mg₂₄Y₅ oder Mg₄₂Y₅ zu unterdrücken, die zur Versprödung der Legierung führen.

Ziel ist es, einen gleichmäßigen Mischkristall herzustellen, in dem Y vollständig in die α-Mg-Matrix eingebunden ist. Dies verbessert die Korrosionsbeständigkeit, die thermische Stabilität und die Festigkeit und vermeidet gleichzeitig unerwünschte Ausscheidungen, die sich während der Verarbeitung oder des Betriebs bilden könnten.

2. Mechanismus der Löslichkeit von Yttrium in Magnesium

Yttrium löst sich in Magnesium gemäß dem Standard-Substitutionslöslichkeitsverhalten. Bei hohen Temperaturen (über 500 °C) können die Y-Atome tatsächlich Positionen innerhalb der Mg-Matrix einnehmen. Aufgrund des engen Bereichs der Feststofflöslichkeit von Y in Mg bei niedrigeren Temperaturen ist jedoch eine genaue Kontrolle der thermischen Entwicklung erforderlich.

Aus thermodynamischer Sicht ist die Temperatur die primäre Antriebskraft für die Auflösung, wobei Zeit und Atmosphäre als unterstützende Faktoren dienen. Wird die Legierung auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten, kann die Diffusion gleichmäßig erfolgen. Die Abkühlungsphase muss sorgfältig gesteuert werden, um die Ausscheidung von sekundären Y-reichen Phasen zu unterdrücken. Außerdem sind inerte oder halbinerte Schutzgase erforderlich, um die Oxidation von Y während des Schmelzens und der Wärmebehandlung zu verhindern und die chemische Stabilität zu gewährleisten.

3. Empfohlener Verarbeitungsweg

Um Y vollständig in Magnesium aufzulösen, wird der folgende Herstellungsweg empfohlen:

Schmelzen und Legieren

Die Legierung sollte durch Mischen von hochreinem Mg mit einer Mg-25-Gew.-%-Y-Vorlegierung hergestellt werden. Das Schmelzen sollte in einem Induktionsofen bei etwa 760 °C unter einer Schutzgasatmosphäre aus 99 % CO₂ und 1 % SF₆ erfolgen. Diese Gasmischung schirmt die Schmelze wirksam vor Sauerstoff ab und verhindert die Oxidation der Seltenen Erden. Die Form sollte auf 200-300 °C vorgewärmt werden, was den Metallfluss verbessert und die thermischen Gradienten während des Gießens reduziert.

Gießen und Abkühlen

Sobald die Legierung geschmolzen und homogenisiert ist, wird sie unter ständigem Gasschutz in die Form gegossen. Die Abkühlungsgeschwindigkeit muss sorgfältig kontrolliert werden - ist sie zu schnell, kann die Legierung unter thermischer Spannung leiden; ist sie zu langsam, können sich unerwünschte intermetallische Phasen bilden. Ein moderates Abkühlungsprofil gewährleistet sowohl Phasenstabilität als auch Kornfeinung.

Lösungsbehandlung und Abschrecken

Nach dem Gießen wird die Legierung einer Lösungsglühung bei 525 °C für 15 Stunden unterzogen. Dadurch können sich die verbleibenden Y-reichen Partikel vollständig in der Mg-Matrix auflösen. Auch hier ist eine Schutzatmosphäre erforderlich, um die Oberflächenqualität und die innere Sauberkeit zu erhalten. Die wärmebehandelte Legierung wird dann in heißem Wasser (~70 °C) abgeschreckt, um die Ausscheidung sekundärer Phasen während der Abkühlung zu verhindern.

4. Betriebsflexibilität und praktische Hinweise

Die oben genannten Parameter werden zwar empfohlen, können aber je nach Anlagenbeschränkung oder Produktionsumfang angepasst werden. Die Bediener sollten auf eine gleichmäßige Temperaturverteilung, eine strenge Kontrolle der Atmosphäre und eine präzise Zeitplanung während jeder Stufe achten. Übliche Probleme wie Gasaustritt, lokale Überhitzung oder verzögertes Abschrecken können zur Bildung von Einschlüssen oder zur Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen führen, die beide die Qualität der Legierung beeinträchtigen.

Auch die Konstruktion der Gussform und das Rühren der Schmelze sollten beachtet werden. Die Minimierung von Turbulenzen während des Gießens und die Verwendung von glattwandigen Tiegeln tragen zur Erhaltung der chemischen Homogenität des Endprodukts bei.

Referenzen

Mehrere von Fachleuten begutachtete Studien und Fachartikel unterstützen den beschriebenen Prozess und Löslichkeitsmechanismus:

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

2. Microhardness and In Vitro Corrosion of Heat-Treated Mg-Y-Ag Biodegradable Alloy, PMC, 2017.

3. Effect of Solution Treatment Time on Microstructure Evolution and Properties of Mg-3Y-4Nd-2Al Alloy, Materials (MDPI), 2023.

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