Hot tearing behavior and underlying mechanisms of Mg-xCu-2xGd alloys with varying total Cu and Gd content

Technische Samenvatting: Heet scheurgedrag en onderliggende mechanismen van Mg-xCu-2xGd legeringen

Probleemstelling
Hoewel LPSO-versterkte (Long-Period Stacking Order) Mg-Cu-Gd legeringen worden erkend om hun hoge sterkte en ductiliteit, wordt hun praktische toepassing gehinderd door een hoge gevoeligheid voor heet scheuren (hot tearing susceptibility, HTS). Heet scheuren, een kritiek gietdefect dat optreedt boven de solidustemperatuur door onvoldoende vloeibare voeding onder krimpspanning, beperkt de gietopbrengst en de kwaliteit van de ingots. Hoewel eerdere studies de HTS in Mg-Zn-Y en Mg-Ni-Y systemen hebben onderzocht, ontbreeft systematisch onderzoek naar Mg-Cu-Gd legeringen nog. Specifiek vereist het begrijpen van de micro-mechanismen die bepalen hoe variërende totale Cu- en Gd-gehaltes de dendrietgroei, de structuren van vloeistofdoorstroomkanalen, de accumulatie versus ontlasting van spanning en de specifieke rollen van vloeibare films en vaste bruggen bij scheurinitiatie en -genezing, verdere verheldering.

Methodologie
De studie onderzocht vier Mg-xCu-2xGd legeringen (x = 0,5, 1, 1,5, 2 at%) met een vaste Cu/Gd atomaire ratio van 0,5, om ervoor te zorgen dat de secundaire fase binnen de LPSO-enkelvoudige fase-regio bleef.

• Experimentele opstelling: De legeringen werden gesmolten in een weerstandsoven onder een beschermende gasatmosfeer (N₂ + 0,2 vol% SF₆) waarbij Zr werd toegevoegd als korrelverfijner.
• Evaluatie van heet scheuren: Een T-vormig beperkt staafgiet-systeem werd gebruikt om heet scheuren te induceren bij de hete plek (T-verbinding). Macroscopische scheurmorfologieën werden geanalyseerd en de spanningsevolutie werd geregistreerd via een load cell.
• Solidificatieanalyse: Een duale thermokoppel differentiële thermische analyse methode karakteriseerde het solidificatiegedrag. Eén thermokoppel bevond zich in het centrum van de smelt en een andere aan de rand, waardoor de dendriet coherentietemperatuur ($T_{coh}$) bepaald kon worden en de curves van de evolutie van de vaste fractie ($f_s$) geconstrueerd konden worden.
• Microstructurele karakterisering: Röntgen diffractie (XRD), Scanning Elektronen Microscopie (SEM) en Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) werden gebruikt om de faseconstituties te identificeren, korrelgrensmorfologieën te observeren en de elementverdeling in scheurgenezingsregio's te analyseren.
• Criteriumbeoordeling: De studie evalueerde HTS met behulp van het $CSCT$ criterium en het Kou-criterium (het berekenen van indices voor vaste fractie intervallen van 0,6–0,99 en 0,8–0,99).

Belangrijkste Resultaten

1. Reductie in gevoeligheid voor heet scheuren: Naarmate het totale Cu- en Gd-gehalte toenam van 1,5 at% naar 6 at%, nam de HTS significant af. Macroscopisch gezien gingen de legeringen over van volledige breuk bij de hete plek (x=0,5, 1) naar grootschalige doorgaande scheuren (x=1,5) en uiteindelijk naar slechts haarlijn microscheuren (x=2).
2. Fase-evolutie: Alle legeringen bestonden uit een $\alpha$-Mg matrix en een LPSO secundaire fase. Het verhogen van het legeringsgehalte verhoogde het volumefractie van de LPSO-fase, die voornamelijk bij de korrelgrenzen neersloeg.
3. Solidificatiegedrag:
   • Dendriet coherentie: De dendriet coherentietemperatuur ($T_{coh}$) nam af met toenemend legeringsgehalte. Deze vertraging in coherentie verkortte de interdendritische voedingsfase en verbeterde de permeabiliteit van de voedingskanalen.
   • Latente warmte: Een hoger LPSO-gehalte resulteerde in een grotere afgifte van latente warmte tijdens precipitatie. Dit verzachtte het dendritische skelet, vertraagde de spanningsaccumulatie in de laatste solidificatiefase en verbeterde de fluiditeit van de eutectische vloeistof.
4. Scheurgenezingsmechanisme:
   • In legeringen met een laag gehalte waren sporen van genezing schaars, en verspreidden scheuren zich snel door een beperkte resterende vloeistof en slechte permeabiliteit.
   • In legeringen met een hoog gehalte (x=1,5, 2) zorgden het verhoogde LPSO-gehalte en de verbeterde kanaalpermeabiliteit ervoor dat de lage-viscositeit, Cu-Gd-verrijkte eutectische vloeistof in de scheuren kon stromen.
   • Na de solidificatie vormde de LPSO-fase een coherente interface met de $\alpha$-Mg matrix aan beide zijden van de scheur, wat een vaste metallurgische brug creëerde die de hernieuwde initiatie van scheuren effectief voorkwam.
5. Voorspellende nauwkeurigheid: De Kou0,6 index (gebaseerd op het temperatuurbereik voor $f_s$ 0,6–0,99) bood de meest nauwkeurige reflectie van de graad van scheurvorming, met waarden die daalden van 886 naar 114 naarmate het legeringsgehalte toenam. Dit interval komt overeen met de experimenteel waargenomen heet scheur initiatietemperaturen.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt experimenteel bewijs en theoretische begeleiding te bieden voor het uitbreiden van de selectie van hoogwaardige sterkte-ductiliteit magnesiumlegeringen. Door systematisch de Cu- en Gd-gehaltes te variëren, verduidelijkt de studie dat het verhogen van het totale gehalte van deze elementen de weerstand tegen heet scheuren aanzienlijk verbetert via een gekoppeld mechanisme:

• Vertraagde dendriet coherentie: Verbetert de permeabiliteit van de voedingskanalen en vermindert de waarschijnlijkheid van microholtevorming.
• Verbeterd genezingsvermogen: Een verhoogd LPSO-fasegehalte zorgt voor meer resterende vloeistof voor voeding en vormt coherente vaste bruggen die de voortplanting van scheuren stoppen.
• Spanningsbeheer: De afgifte van latente warmte verzacht het solidificerende skelet, waardoor de spanningsaccumulatie wordt vertraagd.

De auteurs concluderen dat deze bevindingen helpen om samenstellingen met een hoge HTS te vermijden en een pad bieden om Mg-Cu-Gd legeringen te optimaliseren voor giettoepassingen, specif으로 door gebruik te maken van het vermogen van de LPSO-fase om scheuren te genezen en korrelgrenzen te versterken.