Ein synergistischer Effekt bei der Anreicherung des Mg

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20053 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Mg-Al-Zn-Legierungen werden in vielen Anwendungen aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohem Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis, geringem Gewicht, hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, geringer Dichte, Gießbarkeit, mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und hoher Bearbeitbarkeit weithin bevorzugt Korrosionsbeständigkeit und große Dämpfung. Die Verbesserung der Eigenschaften solcher Legierungen ist aufgrund ihrer hexagonalen Kristallstruktur und anderer Legierungseinschränkungen eine Herausforderung. Ziel dieser Studie ist die Synthese einer Mg-Al-Zn-Legierung durch Einarbeitung der Legierungselemente 8,3 Gew.-% Al und 0,35 Gew.-% Zn auf reinem Magnesium (Kontrollprobe). Anschließend wird ein Mg-Al-Zn/BN/B4C-Hybridverbundwerkstoff synthetisiert, indem B4C in drei Gewichtsanteilen (3 Gew.-%, 6 Gew.-%, 9 Gew.-%) zusammen mit dem konstanten Festschmierstoff BN (3 Gew.-%) durch einen Rührgussprozess verstärkt wird. Die Hybrid-Verbundproben wurden charakterisiert und mit den Leistungen der Kontrollprobe verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass mit 9 Gew.-% B4C verstärkte Proben eine bessere Leistung erbrachten, da eine Verbesserung der Zugfestigkeit um 28,94 %, der Druckfestigkeit um 37,89 %, der Streckgrenze um 74,63 % und der Härte um 14,91 % gegenüber der Kontrollprobe verzeichnet wurde. Abgesehen davon wurde die Korrosionsfläche verringert (37,81 %) und es wurden im Vergleich zur Kontrollprobe vernachlässigbare Änderungen in der Dichte (um 0,03 % erhöht) und der Porosität (um 0,01 verringert) festgestellt. Die Proben wurden mit SEM-, XRD- und EDAX-Geräten charakterisiert.

Materialien mit geringer Dichte werden aufgrund ihrer geringeren Dichte und höheren Energieeffizienz immer häufiger in Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Schifffahrtsanwendungen eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Metallen und Legierungen haben Magnesium und seine Legierungen aufgrund ihrer geringeren Dichte und hohen Druckfestigkeit an Interesse gewonnen. Darüber hinaus ist Magnesium recycelbar und die Reduzierung des CO2-Ausstoßes ist ein weiterer wichtiger Grund für die Erfüllung funktionaler Anwendungen1. Trotz ihrer hervorragenden physikalischen Eigenschaften haben diese Materialien aufgrund ihrer geringen Festigkeit, ihres Moduls und ihrer Verschleißfestigkeit nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten, sind hochreaktiv und weisen bei hohen Temperaturen eine schlechte Kriechfestigkeit auf2. Diese Nachteile können durch die Einhaltung gewünschter Verarbeitungsmethoden und die Zugabe von Legierungselementen oder Verstärkungen behoben werden3. Basierend auf den präsentierten Ergebnissen wurden Keramiken wie Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Borkarbid, Siliziumnitrid, Titandioxid, Aluminiumnitrid, Titannitrid, Yettriumoxid und Titankarbid verwendet, um Partikel zu verstärken, die aus Magnesiumverbundwerkstoffen bestehen4.Keramik Verstärkungen können mit einem Matrixmaterial verkapselt werden, was zu Einschränkungen führt. Die Erhöhung des Gewichtsanteils einzigartiger keramischer Verstärkungspartikel im Matrixmaterial erhöhte Härte, Dichte, Zähigkeit und Sprödigkeit, es wurde jedoch eine Verringerung der Duktilität und des Dehnungsprozentsatzes beobachtet5. Dies ist auf die homogene Verteilung der verstärkenden Partikel in der Matrixlegierung zurückzuführen, während die Agglomeration zu schlechteren Eigenschaften führt6. Die Literaturstudien ergaben, dass die Einbeziehung der sekundären Keramikpartikel in das Ausgangsmaterial das Material durch eine Verringerung der Korngröße stärkt, die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen bestimmt und als Hybridverbundwerkstoff bestätigt wird. Es wurden zahlreiche Studien zur Synthese von Magnesium-Hybridverbundwerkstoffen unter Verwendung verschiedener Verarbeitungsmethoden und Verstärkungen durchgeführt7. Der pulvermetallurgische Ansatz wurde verwendet, um die Verschleißleistung von Magnesiumverbundwerkstoffen zu charakterisieren. Der Einschluss von Graphit erhöhte die Verschleißfestigkeit von Hybridmischungen und verringerte die Mikrohärteeigenschaften8. Zur Entwicklung des dynamischen Zugverhaltens von Magnesium-Hybrid-Nanokompositen wurde die halbfeste Rührmethode eingesetzt. Es wurde beobachtet, dass die Dehngeschwindigkeitshärtung bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich ausfiel, wenn nanoskaliges SiC und MWCNT zur Verstärkung verwendet wurden9. Der Einschluss von SiC-Partikeln verbesserte effektiv die Verschleißrate synthetisierter Verbundwerkstoffe aufgrund der Verstärkung von Kurzfasern und gegossenen Verbundwerkstoffen mithilfe der Squeeze-Casting-Methode10. Mithilfe der Flüssigmetallurgie wurden die mechanischen Eigenschaften von Borcarbid und die gehärteten Magnesium-Mischungskomplexe von Graphit entwickelt. Der Einbau von Graphit in die Matrixlegierung führt zu einer Verschlechterung der Verschleißeigenschaften11. Mikrostruktur und physikalische Eigenschaften von aluminiumhybridisierten Verbundwerkstoffen wurden unter Verwendung von Titandiborid und Bornitrid als Verstärkungsteile untersucht, wobei der Einschluss von BN in erster Linie dem Zweck diente, die Benetzbarkeit zu verbessern und gleichzeitig die Verschleißfestigkeit zu erhöhen12. Basierend auf der Literatur wurde der Schluss gezogen, dass die Dichte die Wahl der Verstärkung für die Synthese von Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen maßgeblich beeinflusst hat. Andernfalls würde die Dichte solcher Kombinationen zunehmen und nicht mit den Gewichtsreduzierungseigenschaften für funktionelle Anwendungen übereinstimmen13. Im Rahmen der vorgeschlagenen innovativen Studie wurden Keramikverstärkungen mit Materialien geringer Dichte für die weitere Entwicklung von Hybridverbundwerkstoffen aus Magnesiumlegierungen ausgewählt. Für die explikative Forschungslücke wurde eine Literaturstudie durchgeführt und einige Implikationen für diese Studie zusammengefasst. Mg-Al-Zn-Legierungen haben eine hexagonale Kristallstruktur, die grundlegende Eigenschaften wie Zähigkeit, Flexibilität und andere Eigenschaften beeinflusst. Darüber hinaus ist die Oberflächenenergie dieses Materials im Vergleich zu anderen Leichtbaumaterialien wie Aluminium oder Zink hoch. Dennoch weist es eine geringere Korrosions- und Verschleißfestigkeit auf als Aluminium. Es wurde außerdem beobachtet, dass in Magnesiumlegierungen 10 Gew.-% Al die Zugfestigkeit, Härte und Gießbarkeit durch Erhöhung der Mischkristallverfestigung verbessern und 0,35 % Zn MgZn2-Phasen entlang der Korngrenzen bilden, was zu einer hervorragenden Aushärtung führt und verbesserte Eigenschaften bietet . Allerdings ist die Zugabe von Legierungselementen auf die Magnesiumgrundlegierung beschränkt, da sie für die Umweltverträglichkeit des Werkstoffs von entscheidender Bedeutung ist14. Es wurde festgestellt, dass nur die Zugabe keramischer Verstärkungspartikel wie Boride, Karbide und Nitride die Eigenschaften von Mg-Al-Zn-Legierungen verbessert. Es wurde festgestellt, dass weitere Untersuchungen zur Benetzbarkeit von Borcarbid und Bornitrid mit Mg-Al-Zn-Legierungen als partikelverstärkte Partikel zur Verfestigung hybridisierter Verbundwerkstoffe fehlen. Da Magnesium eine hohe Reaktivität aufweist und Magnesiumoxid bildet, wenn es der Atmosphäre ausgesetzt wird, ist dies ein großer Nachteil solcher Legierungen. Es wurde prognostiziert, dass durch das Hinzufügen einer Verstärkung mit geringer Dichte zu einer Kombination verschiedener Grundmaterialien die Dichte von Verbundwerkstoffen wiederhergestellt und ihre mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden15. Eine wörtliche Analyse ergab, dass die Einbeziehung von B4C-Verstärkungen unterschiedlicher Partikelgrößen zu einer höheren mechanischen Festigkeit des Materials führt. Dennoch ist die BN-Verstärkung begrenzt, obwohl sie eine geringere Dichte als B4C16 aufweist. Daraus wurde auch geschlossen, dass Borcarbid und Bornitrid nicht umfassend als partikelverstärkte Partikel zur Verfestigung von Hybridverbundwerkstoffen auf der Basis einer Mg-Al-Zn-Legierung untersucht wurden. Die zur Verstärkung empfohlenen Partikel haben eine geringere Dichte von 2,5 g/cm3 und 2,1 g/cm3 für Borcarbid und Bornitrid als andere keramische Verstärkungen. Durch das Hinzufügen dieser Verstärkungskombination in verschiedenen Grundmaterialien wurde die Dichte des Endmaterials (Verbundwerkstoff) wiederhergestellt und seine mechanischen Eigenschaften weiter verbessert. Die Effekte verstärken die Eigenschaften der Mg-Al-Zn-Legierung (91,35 Gew.-% reines Magnesium, 8,3 Gew.-% Aluminium, 0,35 Gew.-% Zink), indem sie B4C auf drei Ebenen (3 Gew.-%, 6 Gew.-%, 9 Gew.-%) konstant verstärken Festschmierstoff BN mit 3 Gew.-%. wurde bisher noch nicht gemeldet. Da BN eine lamellare Struktur wie Molybdändisulfid und Graphit aufweist, ist es im Vergleich zu diesen ein besserer Festschmierstoff. Aufgrund dieses Faktors wird BN als Sekundärverstärkung bevorzugt und sein prozentualer Gewichtsanteil wird in der vorliegenden Untersuchung konstant gehalten. Daher befasst sich diese Forschungsarbeit mit der Synthese, Charakterisierung und Prüfung von Mg-Al-Zn/BN/B4C-Hybridverbundwerkstoffproben und dem Vergleich ihrer Leistung mit synthetisierten Mg-Al-Zn-Gusslegierungen (Kontrollproben).

Die Neuheit der vorliegenden Studie ist die Synthese von Mg-Al-Zn-Legierungen durch den Einbau der Legierungselemente 8,3 Gew.-% Aluminium und 0,35 Gew.-% Zink in reines Magnesium. Anschließend wurde diese Gusslegierung mit harten keramischen Verstärkungspartikeln aus B4C (3 Gew.-%, 6 Gew.-%, 9 Gew.-%) mit Festschmierstoff BN (3 Gew.-%) unter Verwendung des Rührgussverfahrens mit Bodengießen verstärkt und die drei Mg-Al-verglichen. Leistung von Zn/B4C/BN-Hybridverbundwerkstoffen mit Mg-Al-Zn-Legierung in Bezug auf Dichte, Porosität, Härte, Zugfestigkeit, Streckgrenze, Prozentsatz der Dehnung, Druckfestigkeit und Korrosionsrate, einschließlich mikroskopischer Untersuchungen wie REM, XRD usw. zur Sicherstellung der Qualität neuer Materialien für Schiffsanwendungen wie Motorgehäuse, Rümpfe und Flossen.

In dieser Arbeit werden handelsübliche Mg-Al-Zn-Si-Ni-Legierungen zur Entwicklung einer Magnesiumlegierung verwendet. Die chemischen Bestandteile dieser Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der Einschluss von Aluminium und Zink in Magnesiumlegierungen erhöht deren Härte und Festigkeit bei Raumtemperatur. Es wird angenommen, dass Mg-Al-Zn-Legierungen am häufigsten zum Gewichtsabzug bei Raumtemperatur verwendet werden. Darüber hinaus verfügt es über ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, eine gute Flexibilität, bessere Dämpfungseigenschaften und eine hervorragende Gießbarkeit. Es eignet sich hervorragend als Matrixmaterial für die Herstellung von Magnesium-Hybrid-Verbundwerkstoffen17. Zur Einarbeitung solcher Komposite werden auch die Verstärkungen B4C (~ 1 µm) und BN (< 10 µm) der Partikelgröße von Sigma Aldrich verwendet.

Die Rührgussvorrichtung vom Bodengusstyp wird zur Herstellung von Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen in einer Inertgasumgebung verwendet, wie in Abb. 1a dargestellt. Die zum Gießen von Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen verwendete Matrize ist in Abb. 1b dargestellt, und die hergestellten Proben von Mg-Al-Zn-Legierungsverbundwerkstoffen sind in Abb. 1c dargestellt. Um Magnesium zum Schmelzen zu bringen, wird der Widerstandsheizofen zunächst auf 250 °C vorgeheizt. Anschließend wird die erforderliche Menge gegossener Magnesiumlegierung in den Ofen gegeben und 45 Minuten lang geschmolzen, bevor die Temperatur auf 750 °C erhöht wird. Durch externe Fichte wird der Schmelze die Verstärkung von B4C-Partikeln mit unterschiedlichem Gewichtsanteil (3 Gew.-%, 6 Gew.-% und 9 Gew.-%) und konstantem BN (3 Gew.-%) zugesetzt. Um Oxidation und Verbrennung zu verhindern, ließ man 3,5 l/min einer Mischung aus CO2 und SF6 in den Ofen abfließen und erhöhte die Schmelztemperatur auf 750 °C. Es wurde auch festgestellt, dass die Dichte wichtig ist, um die gleichmäßige Verteilung der Keramikpartikel im Grundmaterial zu verbessern9. Der Grund dafür ist, dass die Bewehrung bei minimaler Dichte allein oben in der geschmolzenen Aufschlämmung verbleibt, während sie sich bei maximaler Dichte am Boden absetzt. Durch die Verwendung eines effektiven Prozessparameters kann dieses Problem gelöst werden.

(a) Rührgussgerät (b) Matrize zur Synthese von Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen (c) Proben einer Mg-Al-Zn-Legierung.

Für ein effektives Rühren muss auch der Rührerdurchmesser berücksichtigt werden. Die Feststoffpartikel bleiben bei zu kleinem Rührerdurchmesser am Außenrand des Gefäßes hängen und können bei zu großem Rührerdurchmesser in der Gefäßmitte verbleiben. Daher wurde der Rührerdurchmesser laut Literaturangabe auf 0,4D eingestellt19. Um eine homogene Partikelverteilung in der Matrixlegierung zu erreichen, muss ein mit dem Rührgussverfahren verbundener Parameter berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurden die Rührgeschwindigkeit und die Rührzeit bei 600 U/min und 15 Minuten gehalten, wie in der Literatur angegeben20. Es wurde festgestellt, dass die Gießtemperatur die Partikelverteilung erheblich beeinflusst. Höhere Schmelztemperaturen neigen dazu, dass die Keramikpartikel an der Oberfläche der Schmelze schwimmen, während niedrigere Schmelztemperaturen die Schmelzviskosität verringern und das Gießen schwieriger machen21. Aufgrund dieser Tatsachen wurde die optimale Temperatur zum Gießen von Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen zum Eingießen der geschmolzenen Aufschlämmung in den Formhohlraum bei etwa 700 °C gehalten. Eine EN24-Matrize mit einem Durchmesser von 0,022 m und einer Länge von 0,2 m wird am Boden der Vorrichtung platziert und mit Schwefelpulver beschichtet, um Oxidation und Verbrennung der geschmolzenen Aufschlämmung zu verhindern. Dann wird die geschmolzene Aufschlämmung in die Form gegossen und allein in der Form bei Atmosphärendruck abkühlen gelassen. Das gleiche Verfahren wurde mit unterschiedlichen Verstärkungsgewichtsprozentsätzen und der Synthese von Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen wiederholt.

Der Anstieg von Keramikpartikeln niedriger Dichte (B4C) auf maximal 12 Gew.-% in der geschmolzenen Magnesiumlegierung führt zu einer Agglomeration, selbst wenn Rühren angewendet wird, um eine homogene Verteilung dieser Partikel in der Matrix zu erreichen. Dies kann nicht erreicht werden, da einige unbenetzte Keramikpartikel, die auf der Schmelzoberfläche schwimmen, zusammenkleben und sich in einem Bereich ansammeln, was zu schlechten mechanischen Eigenschaften führt. Die Verwendung eines höheren Anteils an Keramikpartikeln im gegossenen Magnesiumverbundwerkstoff erhöht dessen Porosität und bildet eine SiO2-Schicht auf den Keramikpartikeln, wenn diese mit geschmolzener Aufschlämmung gefüllt werden. Es wurde festgestellt, dass, wenn die Anzahl der Verstärkungspartikel auf das Maximum anstieg, der Prozentsatz der Cluster entlang mehrerer Bereiche des Grundmaterials zunahm, was zu Poren und einer die Keramikpartikel umgebenden Gasschicht führte, die zum Aufschwimmen der Cluster führte. Aus diesem Grund wurde der Gewichtsprozentsatz auf 9 Gew.-% begrenzt und die Ergebnisse der synthetisierten Hybridmischungen wurden in Xiang et al.22 diskutiert.

Leistungsmessungen für Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffe wurden unter Verwendung von ASTM-Standards erstellt. Zur Charakterisierung der Mikrostruktur synthetisierter Verbundwerkstoffe wird ein trinokulares inverses metallurgisches Mikroskop von De-Winter verwendet. Die Dichte synthetischer Verbundwerkstoffe wurde nach dem Archimedischen Prinzip mit Ethanol als Suspensionsmedium berechnet. Mit Hilfe von Wilson Wolpert Deutschland wird ein Mikro-Vickers-Härtetest verwendet, um die Mikrohärte von Materialien unter einer Belastung von 1 kg zu bestimmen. Mithilfe einer Universalprüfmaschine wird das Zugverhalten hybridisierter Mischungen anhand des ASTM E8-Standards untersucht. Der maximale Belastungsbereich beträgt 10 Tonnen und die Schergeschwindigkeit beträgt 0,5 m/min. Zur Bewertung der Druckfestigkeit einer Mischung bei Raumtemperatur wird der ASTM E9-Standard verwendet. Die Korrosionsbeständigkeit hybridisierter Verbundwerkstoffe wurde mithilfe des B117-Salzsprühtests23 analysiert.

An optical microscope is used to characterize the finely structured magnesium alloy hybrid composites. Figure 2a to Fig. 2f examine the as-cast and etched hybridized composites with differing percentages of boron carbide and boron nitride by weight. Picral is used as the etching agent24. The microstructure of both B4C and BN reveals the homogenous distribution of strengthening particles without any evidence of a cluster. Moreover, the higher inclusions of B4C particulates in the parent material display the primary magnesium grains and appear finer. Due to impurities, grain boundaries of newly synthesized hybrid composites show microparticles of eutectic precipitates. Boron carbide has a larger granularity than boron nitride, so the distribution of BN is leaned and appears as dull shiny white particles due to the inferior inclusion of BN in the matrix alloy. It was presumed that the microstructures of the synthesized magnesium alloy hybrid composites possessed B4C, Mg, MgO and MgB2 interphases. This is because increasing the proportion of boron carbide increases the formation of the MgO and MgB2 phases due to the heating process and reactions between the immixtures24. The microstructural studies found that good interfacial integrity between the Mg matrix and the hybrid ceramic reinforcement was esteemed regarding the nonappearance of voids and debonding at the particle–matrix interface. This stimulates the enhancement of the mechanical properties of synthesized magnesium alloy hybrid composites, as inferred in similar findings4C) in magnesium matrix composites fabricated by powder metallurgy technique. Mater. Res. Express 7, 016597. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab6c0b (2020)." href="/articles/s41598-022-24427-8#ref-CR25" id="ref-link-section-d110667877e787">25.

(a–f). Mikrostruktur eines Mg-Al-Zn-Legierungsverbundwerkstoffs, verstärkt mit Borcarbid mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen und Bornitridkonstanten.

The morphology characteristics of magnesium alloy hybrid composites and the distribution of ceramic reinforcement particles are analyzed using SEM, as shown in Fig. 3a,b. It was determined that B4C appears as a needle-like structure within the magnesium alloy matrix which is constantly dissipating through regions of grain boundaries and internal grain boundaries. Because of the pinning effect, BN acts as nucleation sites and reduces grain size while causing a reduction in grain growth due to the higher proportion of grain boundary particles in the matrix alloy4C reinforced Al–Si matrix semi-ceramic hybrid composites. J. Compos. Mater. 53, 3549–3565. https://doi.org/10.1177/0021998319842297 (2019)." href="/articles/s41598-022-24427-8#ref-CR26" id="ref-link-section-d110667877e820">26.

REM-Bild eines Mg-Al-Zn-Legierungsverbundwerkstoffs, verstärkt mit (a) 6 Gew.-% Borcarbid und 3 % Bornitrat, (b) 9 Gew.-% Borcarbid und 3 % Bornitrat, (c) XRD-Bild einer Mg-Al-Zn-Legierung Verbundwerkstoff, verstärkt mit 9 % Borkarbid und 3 % Bornitrat, (d) EDAX-Analyse des Bildes eines Verbundwerkstoffs aus Mg-Al-Zn-Legierung, verstärkt mit 9 % Borkarbid und 3 % Bornitrat.

Die Grenzflächenreaktion spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Magnesium-Hybrid-Verbundwerkstoffen. Das Vorhandensein von Borcarbid interagiert mit der Mg-Al-Zn-Magnesiumlegierung und bildet die intermetallischen Komponenten Mg17Al12, MgB2, Mg2Si, Mg3BN3, MgO, B2O3, MgC2, wie in Abb. 3c gezeigt und aus der Literatur abgeleitet27. In der XRDA werden in der Mischung zwei Haupthauptpeaks beobachtet, beispielsweise Mg und B4C, die zur Bildung kleiner MgO-Moleküle durch die teilweise Reaktion von Mg mit Sauerstoff führten. Im Gegensatz dazu wird MgC2 durch Reaktion mit freiem Kohlenstoff im System gebildet, diese Phase ist jedoch instabil und zersetzt sich schnell28. Außerdem wurde beobachtet, dass geschmolzenes Magnesium mit B4C unter Bildung von Magnesiumdiborid reagiert, das elementaren Kohlenstoff freisetzt. Das Vorhandensein von MgB4-Peaks im XRD-Muster bewies, dass sich MgB2 teilweise unter Bildung von MgB4 zersetzt, was mit ähnlichen Ergebnissen übereinstimmt29. Es wurde auch festgestellt, dass es während der Erstarrung heterogene Keimbildungsstellen aufnimmt und so die Korngröße in der Matrixlegierung verringert. Dies wirkt als Verstärkungsmechanismus der hergestellten Magnesiumlegierungsmischung30.

Die EDAX-Analyse der in Abb. 3d gezeigten Hybridmischungen aus Mg-Al-Zn-Legierungen zeigt, dass die Hauptelemente Mg, Al, B, Si, N und einige Oxide sind. Beobachtungen haben gezeigt, dass Si-Partikel in einer Matrix weiterhin mit Mg unter Bildung von Mg2Si31 reagieren. Durch die Anwesenheit von Mg2Si werden die mechanischen Eigenschaften der entwickelten Mg-Al-Zn-Legierungsbeimischung verbessert, und diese Verbindung enthält eine Mischung aus Mg-Al-Si-Mn-B-N-Zusammensetzungen.

Es erscheint wichtig, die Dichte synthetisierter Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffe zu messen, da sie keramische Verstärkungspartikel enthalten, deren Dichte erheblich höher ist als die des Grundmaterials. Eine höhere Dichte der Magnesiumlegierungsverstärkung führt zu einer höheren Dichte synthetisierter Verbundwerkstoffe. Dies wirkt sich nachteilig auf die Wahrnehmung der gewichtsreduzierenden Eigenschaften aus. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren wurden die Dichte und Porosität von hochdichten Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen mithilfe der Mischungsregel gemessen. Im Gegensatz dazu wurde ihre experimentelle Dichte nach dem Archimedischen Prinzip mit Ethanol als Suspensionsmedium gemessen. Gl. (1) und (2) geben eine Formel zur Berechnung der theoretischen Dichte und Porosität von Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen an32.

Aufgrund der Aufnahme von Partikeln höherer Dichte in die heterogene Mischung, der Verstärkung des Verstärkungsanteils und der Existenz einer Grenzflächenreaktion zwischen der Matrix und der Verstärkung wird die Dichte des Mg-Al-Zn-Legierungshybrids erheblich auf ein Minimum erhöht 0,038 % im Vergleich zu einer monolithischen Magnesiumlegierung, wie in Abb. 4 dargestellt. Durch die Erhöhung des Anteils an binären Keramikpartikeln wird die Porosität der realisierten Verbundwerkstoffe erheblich verringert33. Darüber hinaus führten der geschmolzenen Legierung zugesetzte keramische Verstärkungspartikel dazu, dass sich die Partikel an der Schmelzoberfläche ansammelten, selbst nachdem die Verstärkungspartikel durch mechanisches Rühren vermischt wurden29. Die meisten dieser Partikel versuchten zusammenzukleben, sobald das Rühren aufhörte. Die verringerte Viskosität dieser Partikel führte jedoch dazu, dass sie im Matrixbereich verblieben, was zu einer gleichmäßigen Verteilung in der gesamten Matrix führte. Dies ist auf eine Verringerung des Einschlusses von Gaspartikeln beim Hinzufügen der Hybridverstärkungspartikel zur geschmolzenen Schmelze und auf eine Minimierung des Schrumpfeffekts zum Zeitpunkt der Erstarrung zurückzuführen. Dies trägt zu den verbesserten Druckeigenschaften der entwickelten Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffe bei.

Dichte und Porosität von Mg-Al-Zn-Legierungs-Hybridverbundwerkstoffen.

Die Härte von Hybridverbundwerkstoffen, die durch Variation des B4C-Anteils und Beibehaltung der BN-Verstärkung entwickelt wurden, ist in Abb. 5 dargestellt. Im Vergleich zu monolithischen Magnesiumlegierungen zeigt sich, dass die Zugabe von Keramikverstärkung die Härte von Hybridverbundwerkstoffen auf ein Optimum von 14,91 erhöht %. Dies ist auf Faktoren wie die gleichmäßige Verteilung der Keramikpartikel im Grundmaterial, das Vorhandensein harter Grenzflächenpartikel und den großen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Matrix und Verstärkung zurückzuführen, der die Versetzungsdichte in den Mikrostrukturen synthetisierter Verbundwerkstoffe erheblich erhöhte wie in der Literatur berichtet34. Darüber hinaus erhöht die Kombination keramischer Verstärkungspartikel in der Magnesiumlegierungsmatrix den Borcarbidgehalt in allen Bereichen und reduziert die Matrixkörner. Folglich führt eine starke Zunahme der Korngrenzen, die als Hindernisse für Versetzungen dienen, zu einem Anstieg der Mikrohärte synthetisierter Hybridverbundwerkstoffe, wie in der Literatur vermutet wird35. Darüber hinaus trägt der Einschluss von sekundärem Verstärkungsfestschmierstoff (BN) zur Erhöhung der Härte der synthetisierten Verbundwerkstoffe bei und fungiert zusammen mit B4C als Barriere, um den Durchgang von Versetzungen während der Einkerbung zu verhindern.

Härte hybridisierter Magnesiumlegierungsverbundwerkstoffe.

In dieser Studie wurde anhand von Abb. 6a beobachtet, dass durch die Verbesserung der Proportionalität harter Keramikpartikel die endgültigen Zug- und Streckgrenzen der heterogenen Magnesiumlegierungsmischung erheblich anstiegen. Dennoch nahm der Dehnungsprozentsatz ab, wie aus Abb. 6b hervorgeht.

(a) Zug- und Streckgrenze von Mg-Al-Zn-Legierungs-Hybridverbundwerkstoffen (b) Prozentuale Dehnung von Mg-Al-Zn-Legierungs-Hybridverbundwerkstoffen (c) Druckfestigkeit von Mg-Al-Zn-Legierungs-Hybridverbundwerkstoffen.

Dies geschah aufgrund einer hervorragenden Lastübertragung von der Matrix auf die Keramikphase, des Orowan-Verstärkungsmechanismus, der Kornverfeinerung und der Unterschiede zwischen der thermischen und elastoplastischen Leistung der synthetisierten Hybridverbundwerkstoffe36. Wenn die Verstärkung gleichmäßig in der Magnesiummatrix verteilt ist, weist sie Versetzungen hoher Dichte auf. Dadurch kommt es zu einer Diskrepanz zwischen dem Grundmaterial und den Verstärkungspartikeln, die bei Belastung von Hybridverbundwerkstoffen einen verstärkenden Effekt hat37.

Für Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffe wurde ein Druckfestigkeitstest gemäß ASTM E9 durchgeführt38. Wie in der Literatur erläutert, variiert die Verformung der Magnesiummatrixmaterialien unter Belastungsbedingungen hinsichtlich der Zugeigenschaften (Schlupf) und Druckeigenschaften (Zwillinge)39. Im Gegensatz zu Mg-Al-Zn-Basislegierungen ist die Druckfestigkeit von hergestellten Magnesiumlegierungsmischungen deutlich erhöht, wie in Abb. 6c dargestellt. Dies führt zu einer Verteilung der Grenzflächenfestigkeit in der gesamten Magnesiummatrix, einer verringerten Zwillingsbewegung und einer verfeinerten Kornstruktur. Beobachtungen haben gezeigt, dass die Matrixkornverfeinerung in der Mg-Matrix durch die Verstärkung und Partikelverteilung beeinflusst wird, was darauf hindeutet, dass die Gleichmäßigkeit der Partikelverteilung für eine Korngrößenreduzierung in einer hybridisierten Magnesiumlegierungsmischung ausreicht. Es wird auch gefolgert, dass die Einbeziehung einer Sekundärverstärkung während der Dehnung die Dehnungsraten von Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffen verändern würde; daher erscheint die Bruchfläche glatt. An der Korngrenze kommt es zu einer heterogenen Verformung der Magnesiumlegierungsmatrix, die eine plastische Verformung verhindert, bei Druckbelastung jedoch den kristallinen Kern des Korns verlässt; Daher nehmen die Druckeigenschaften von hybridisierten Verbundwerkstoffen aus synthetisierten Magnesiumlegierungen erheblich zu, wie in der Literatur zitiert.

Es wurde auch festgestellt, dass die erhöhte Festigkeit bei Raumtemperatur auf eine verbesserte Kornverfeinerung zurückzuführen ist, wie in Abb. 7a,b dargestellt. Durch die Erhöhung der Aushärtung der Matrixlegierungsverstärkung wurde die Rissausbreitung bei Belastungen auf Verbundwerkstoffe auf ein Maximum minimiert. Darüber hinaus trägt der Verformungsmechanismus erheblich zur Verbesserung der Zugeigenschaften von Hybridverbundwerkstoffen aus Magnesiumlegierungen bei, da die Zugabe von Aluminium- und Zinkelementen zu einer geringeren Reduzierung der Stapelfehlerenergie führt als bei den anderen Elementen34,35,36. Darüber hinaus kann der Einbau einer Sekundärverstärkung (BN) zur Bildung höherer heterogener Keimbildungsstellen (Mg17Al12) und damit zu einer höheren Bruchzähigkeit der Magnesium-Hybrid-Verbundwerkstoffe führen. Dies führt zu vorzeitigem Versagen, wenn die Verbindung zwischen Matrix und Bewehrung nicht ausreichend ist. Dies kann bei synthetisierten Verbundwerkstoffen nicht beobachtet werden.

(a,b) Kornverfeinerung von AZ91 mit 9 Gew.-% Borcarbid und 3 Gew.-% Bornitrat.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass bei Erhöhung des Verstärkungsanteils der Dehnungsanteil deutlich abnimmt. Folglich kann der Verbundwerkstoff aufgrund der fehlenden Superplastizität, die durch die Einbeziehung harter Keramikverstärkung entsteht, spröde sein. Es wird auch darauf hingewiesen, dass während der Erstarrung gegeneinander gedrückte Partikel das Wachstum der Primärphase und der Keime der AZ91D-Legierung einschränkten.

Magnesiumlegierungen sind in feuchten oder nassen Umgebungen aufgrund ihrer gelösten Oxidschicht hochreaktiv, was dazu führt, dass sie in Meeresumgebungen mit hohen Wasserkonzentrationen viel leichter korrodieren40. Auch das Auftreten galvanischer Korrosion in Magnesiumlegierungen kann ein Problem darstellen, da Magnesium das niedrigste Elektrodenpotential aufweist und als Anode fungiert. Obwohl die Legierung von Al und Zn mit Mg ihre Festigkeit erhöht, sind sie anfälliger für galvanische Korrosion. Bei Korrosionstests, die an Mg- und AZ91-Legierungen mit 0,1 M NaCl-Lösungen durchgeführt wurden, zeigte die AZ91-Legierung eine höhere Korrosion als Mg-Metall. Der Einfluss von Legierungselementen wie Zr und Al auf die Korrosionsbeständigkeit von Mg wurde elektrochemisch getestet. Sie fanden heraus, dass die Legierung AZ91 die schlechteste Korrosionsbeständigkeit (9E−4 mm/Jahr) unter den Legierungen AZ31, AZ91, AM60 und ZK60 aufweist40. Beim Eintauchen von Magnesiumlegierungen in NaCl-Lösung finden an der Oberfläche die folgenden Reaktionen statt, wie in den Gleichungen dargestellt. (3, 4 und 5), und ein ähnlicher Befund wurde in der Literatur abgeleitet41.

Wenn Magnesium mit einer wässrigen Lösung in Kontakt kommt, bildet sich auf der Magnesiumoberfläche Magnesiumhydroxid, das als Schutzschicht dient. Da sie jedoch porös ist, schützt diese Schicht die Legierung nicht vor korrosiven Medien, die Cl enthalten. Um dieses Problem zu lösen, können der Magnesiumlegierung geeignete keramische Verstärkungspartikel zugesetzt werden.

Die Korrosionsbeständigkeit der entwickelten Hybridverbundwerkstoffe wurde gemäß dem Salzsprühtest ASTM-B117 bewertet. Die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Die Zugabe von Hybridverstärkung (B4C und BN) zu Magnesiumlegierungen erhöht die Korrosionsbeständigkeit aufgrund der galvanischen Kopplung und der Grenzflächenphase Bildung und mikrostrukturelle Veränderungen zwischen den Verstärkungen und der Matrix. Darüber hinaus weist die Korrosionsrate synthetisierter Verbundwerkstoffe eine zweiphasige Mikrostruktur auf, die aus einer kristallinen Magnesiummatrix mit einer Aluminiumphase (Mg17Al12) über den Korngrenzen besteht42. Hybridverbundwerkstoffe, die eutektische Phasen wie Mg, Zn und Cu enthalten, zeigen ein verbessertes Korrosionsverhalten in einer korrosiven Lösung von 3,5 % NaCl, was sich auf das Volumen, die Zusammensetzung und die Verteilung anderer eutektischer Phasen auswirkt.

Die Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumverbundwerkstoffen.

Bei einer Untersuchung eines Hybridverbundwerkstoffs wurde festgestellt, dass die Alpha-Mg-Matrix, die als Mikrokathode fungiert, Korrosion im Mikromaßstab anregt, wie sie in einer Alpha-Mg-Matrix, wie in der Literatur zitiert, zu finden ist43. Das Vorhandensein der β-Phase verringert die reaktive Oberfläche von Hybridverbundwerkstoffen und infolgedessen wurde das Ausmaß der auf ihren Oberflächen beobachteten Korrosion verringert. Darüber hinaus verhindert eine kontinuierliche Beta-Phase für jede Alpha-Korngrenze, dass sich die Korrosion von einem Alpha-Korn zum anderen ausbreitet, und verhindert so die Bildung von Korrosion auf der Oberfläche von α-Körnern. Dadurch werden die Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffe aufgelöst und der gesamte Betafilm wird der Lösung ausgesetzt, was die Korrosionsraten deutlich erhöht. Aus dem REM-Bild geht hervor, dass die β-Phasen intensiv erscheinen. Die α-Phase materialisiert sich feiner aufgrund der sofortigen Verfestigung bei Raumtemperatur, wie in Abb. 9 dargestellt. Darüber hinaus erscheint das Erscheinungsbild der β-Phase schmal und kontinuierlich, wodurch die Korrosionsrate der α-Phase durch die Korrosion gleichmäßig gehemmt wird das sich äußerlich an den Verbundwerkstoffen bildet. Es wurde beobachtet, dass diese Verbundstoffe beim schnellen Abkühlen Primärkörner mit einem unregelmäßigen Eutektikum der α- und β-Phase bilden; Daher weisen sie angereicherte Formen des α-Eutektikums auf, die die Wahrscheinlichkeit des Auftretens essentieller α-Körner begrenzen. Aufgrund der zunehmenden Lösungskonzentration im Verhältnis zu den ursprünglich gebildeten inneren α-Körnern wurde eine Verringerung der Korngröße beobachtet. Das Vorhandensein feiner Körner beschränkt sich auf stabile β-Phasen. Feine Körner sind auf stabile β-Phasen über α-Korngrenzen beschränkt und reagieren als Hindernis, indem sie dem Korrosionsmoment einen erhöhten Wert verleihen, was zu einer Verlangsamung führt.

Morphologie verschiedener Phasen von AZ91D + 9 Gew.-% B4C + 3 Gew.-% BN.

Basierend auf den experimentellen Studien verbesserte sich die mit B4C/BN verstärkte Mg-Al-Zn-Legierung, die mithilfe der Rührgussmethode synthetisiert wurde, aufgrund der verbesserten Benetzbarkeit zwischen den Beimischungen erheblich. Ähnliche Ergebnisse unter Verwendung dieser als Verstärkung werden in Tabelle 2 diskutiert und verglichen.

Die Ergebnisse relevanter und aktueller Untersuchungen wurden überprüft und in Tabelle 2 dargestellt. Es zeigt sich, dass die B4C- und BN-Verstärkungen die Eigenschaften der Materialien erheblich verändern. Die vorliegende Untersuchung konzentriert sich auf die Verbesserung der Eigenschaften von Mg-Al-Zn-Legierungen mit B4C- und BN-Verstärkungen. Aus den experimentellen Ergebnissen geht hervor, dass eine mit 9 Gew.-% B4C und 3 Gew.-% BN verstärkte Mg-Al-Zn-Legierung die Härte um 14,91 %, die Druckfestigkeit um 37,89 %, die Streckgrenze um 74,63 % und die Zugfestigkeit um 28,94 verbesserte % und die Korrosionsbeständigkeit um 37,81 %. Es ist zu beobachten, dass es zu vernachlässigbaren Änderungen der Dichte und Porosität kommt, die jeweils um 0,03 % erhöht bzw. um 0,01 % verringert werden.

Ziel dieser Studie ist die Verstärkung von Mg-Al-Zn-Legierungen unter Verwendung von B4C und BN als keramikfestigende Partikel. Die Mg-Al-Zn-Legierung (91,35 Gew.-% reines Magnesium, 8,3 Gew.-% Aluminium, 0,35 Gew.-% Zink) wurde gegossen und weiter verstärkt; Mithilfe eines Rührgussverfahrens wurden drei Arten von Mg-Al-Zn/B4C/BN-Hybridverbundwerkstoffen synthetisiert. Unter den entwickelten Hybridmischungen zeigte der mit 9 Gew.-% B4C/BN verstärkte Hybridverbund aus Mg-Al-Zn-Legierungen die besten Ergebnisse. Morphologische Studien stellten sicher, dass eine gute Grenzflächenintegrität zwischen der Mg-Matrix und der Hybridkeramikverstärkung bestand, da an der Partikel-Matrix-Grenzfläche keine Hohlräume oder Knochenablösungen auftraten. Es wurde auch bestätigt, dass die Verringerung der Korngröße in der Matrixlegierung identifiziert und sichergestellt wurde, dass sie als Verstärkungsmechanismus der hergestellten Magnesiumlegierungsvermischung wirkt. Aus der XRDA-Analyse geht hervor, dass intermetallische Komponenten von Mg17Al12, MgB2, Mg2Si, Mg3BN3, MgO, B2O3, MgC2 vorhanden sind. Die EDAX-Analyse zeigt, dass diese Hybridmischung Mg-Al-Si-Mn-B-N-Zusammensetzungen vermischt, was auf verbesserte mechanische Eigenschaften hinweist. Nachfolgend werden die wesentlichen Ergebnisse der mechanischen Eigenschaften, Korrosions- und Härteeigenschaften aufgeführt.

Aufgrund des Vorhandenseins der Mg2Si-Grenzfläche und einer Erhöhung des Anteils an verstärkenden Partikeln erhöhte sich die Dichte der synthetischen Beimischung erheblich auf ein Minimum von 0,03 %, und es wurde eine Verringerung der Porosität um 0,01 % im Vergleich zu einer monolithischen Magnesiumlegierung beobachtet.

Die mechanischen Eigenschaften wie Härte (14,91 %), Zugfestigkeit (28,94 %) und Streckgrenze (34 %) synthetisierter Verbundwerkstoffe werden deutlich erhöht. Andererseits ist die prozentuale Dehnung im Vergleich zu unverstärkten Legierungen gesunken.

Die Druckfestigkeit (37,89 %) synthetisierter Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffe hat sich aufgrund der heterogenen Verformung der Magnesiumlegierungsmatrix an der Korngrenze erheblich erhöht.

Die korrosionsbeständigen Magnesiumlegierungs-Hybridverbundwerkstoffe stiegen aufgrund der kontinuierlichen Betaphase entlang der Alpha-Korngrenze auf ein Maximum (37,81 %).

Die Einschränkung dieser Studie besteht darin, dass der bevorzugte B4C-Bereich bis zu 9 Gew.-% beträgt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der höchste Verstärkungsbeitrag (9 Gew.-%) die Eigenschaften der Mg-Al-Zn-Legierung besser verbesserte. Als weitere Untersuchung lässt sich beobachten, dass verschiedene Verstärkungen geringer Dichte die Eigenschaften von Mg-Al-Zn-Legierungen deutlich verbessern können. Um den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen zu senken, werden dem reinen Magnesium funktionelle Materialien wie Aluminium, Zink und andere Legierungselemente zugesetzt, um die Umweltbelastung zu reduzieren.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Mohammad Khalid

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GA: Konzeptualisierung, ursprüngliche Entwurfserstellung: Methodik und formale Analyse: GA; Überprüfung und Bearbeitung des Manuskripts: NMM, RRK und MK. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Gnanasambandam Anbuchezhiyan oder Nabisab Mujawar Mubarak.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Anbuchezhiyan, G., Mubarak, NM, Karri, RR et al. Ein synergistischer Effekt bei der Anreicherung der Eigenschaften von Hybridverbundwerkstoffen auf Basis einer Mg-Al-Zn-Legierung. Sci Rep 12, 20053 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24427-8

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Eingegangen: 22. September 2022

Angenommen: 15. November 2022

Veröffentlicht: 21. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24427-8

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