Secondary phase selection during solidification of Mg-Y-Gd alloys

Szakács, Gábor GND

Mg-RE alloys have been already of interest as lightweight, high temperature creep resistant structural materials for transportation, but they have become even more attractive for bio-medical application during the last decades. Mg-Y-Gd alloys could be suitable candidates for both applications, but the microstructure evolution of this system has not been investigated to understand the types of intermetallic phases present during solidification. Although it has been reported earlier that in dilute ternary alloys Mg24(Y,Gd)5 phase was prevalent, but due to the low concentration of Y and Gd it was difficult to follow the microstructure evolution during solidification nor was it possible to conclusively show the formation of various intermetallic phases. Therefore, alloys, which are more concentrated, are utilized in this study to understand the phase evolution during solidification. In order to evaluate the effect of Gd content in Mg-(15-x)YxGd alloys were investigated (x=0, 5, 7.5, 10, 15). Besides microstructure investigation (LOM, SEM, TEM), in situ experiments during solidification were performed on the chosen alloys with synchrotron radiation diffraction and DSC. The experiment results are correlated with thermodynamic calculations using Pandat software. The binary magnesium-gadolinium specimens with in situ synchrotron radiation diffraction show the formation of a metastable phase (with a structure of Mg3Gd phase) at eutectic temperature from the liquid and then it transforms to the expected (both from calculation and available literature) equilibrium state stable Mg5Gd regardless from the applied cooling rates. The experimental results of the binary W15 alloy consistently produces a narrower solidification range and higher eutectic temperature of the system than it is expected from the determined results from calculations. The Gd addition into the Mg-Y-Gd ternary alloys did not change the route of the solidification paths in neither applied cooling rates, and only one intermetallic phase (structure of R5Mg24 phase) formation can be observed.

Mg-RE Legierungen waren bereits als leichte, hochtemperaturbeständige Konstruktionswerkstoffe für den Transport von Interesse, sind aber in den letzten Jahren für die biomedizinische Anwendung noch attraktiver geworden. Mg-Y-Gd-Legierungen könnten für beide Anwendungen geeignete Kandidaten sein, aber die Gefügeentwicklung dieses Systems wurde noch nicht daraufhin untersucht, die Arten von intermetallischen Phasen während der Erstarrung zu identifizieren. Obwohl früher berichtet wurde, dass in verdünnten ternären Legierungen die Phase Mg24(Y,Gd)5 auftrat, war es aufgrund der geringen Konzentration von Y und Gd schwierig, die Entwicklung der Mikrostruktur während der Erstarrung zu verfolgen. Jedoch war es möglich, die Bildung verschiedener intermetallischer Phasen endgültig nachzuweisen. Daher werden in dieser Studie Legierungen mit höherem Seltenerd-Gehalt untersucht, um die Phasenentwicklung während der Erstarrung zu verstehen. Um die Wirkung des Gd-Gehalts in Mg-(15-x)Y-xGd zu bewerten, wurden Legierungen mit x = 0, 5, 7.5, 10, 15 Gewichtsanteilen untersucht. Neben der Mikrostrukturuntersuchung (LOM, SEM, TEM) wurden an ausgewählten Legierungen Synchrotron-Diffraktion und in situ DSC Experimente während der Erstarrung durchgeführt. Die Versuchsergebnisse werden mit thermodynamischen Berechnungen mit Hilfe der Pandat-Software korreliert. Die binären Magnesium-Gadolinium-Proben, die mittels in situ Synchrotron-Diffraktion untersucht wurden, zeigen die Bildung einer metastabilen Phase (mit einer Struktur der Mg3Gd-Phase) bei eutektischer Temperatur. Diese erstarrt aus der Schmelze und wandelt sich dann zu dem erwarteten (sowohl aus der Berechnung als auch aus der vorliegenden Literatur) Gleichgewichtszustand um in stabiles Mg5Gd. Dies geschieht unabhängig von den verwendeten Abkühlraten. Die experimentellen Ergebnisse der binären W15-Legierung ergeben konsequent einen engeren Erstarrungsbereich und eine höhere eutektische Temperatur des Systems, als es von den ermittelten Pandat-Simulationen erwartet werden kann. Die Gd Zugabe zu den ternären Mg-Y-Gd-Legierungen änderte den Pfad der Erstarrung weder bei den angewandten Abkühlraten noch, und es konnte nur eine intermetallische Phase (Struktur der R5Mg24-Phase) beobachtet werden.

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Szakács, Gábor: Secondary phase selection during solidification of Mg-Y-Gd alloys. 2019.

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