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Título: Diffusion study of Mg-based alloys: an experimental and modeling approach
Autores: Das, Sazol
Fecha: 2014
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Materials Science
Descripción: Magnesium alloys are receiving global attention in transportation sectors thanks to their superior light weight capacity which allows the design of fuel efficient vehicles with lower CO2 emissions. To develop commercial Mg alloys and optimize their manufacturing processes, fundamental knowledge in thermodynamics and diffusion kinetics is indispensable. In these thermally activated processes, diffusion can play a key role in the optimization of process parameters. A good knowledge of diffusion is thus imperative to understand the relationships between the microstructure and the high temperature process parameters. In the present study, diffusion kinetics of Mg alloys was investigated by both experiments and simulations.Pure magnesium has an hcp crystal structure (c/a ratio = 1.6236) and as a result, self-diffusion of Mg shows anisotropic behavior. Anisotropic diffusion is also observed for various alloying elements such as Ag, Cd, In, Sb, and Sn in hcp Mg. Apart from Ag, the diffusion of solute elements and Mg itself along the a-axis of Mg is faster than along the c-axis. However, the anisotropic behavior of the most common alloying elements like Al and Zn has not been investigated so far. Moreover, no data are available for rare earth elements (REE) despite the fact that their importance is increasing in Mg alloys.In the present study, the anisotropic impurity diffusion coefficients of Al, Zn, Gd, and Y were found to follow the same trend as Mg-self diffusion. The diffusion coefficients along the a-axis is maximum and is about 1.3 times faster than along the c-axis in the conventional material processing temperature. In addition, the effect of the basal plane orientation of Mg on Al and Zn diffusion was investigated and it was found that the diffusion coefficients of Al and Zn in hcp Mg decrease linearly with an increase of the tilting angle of the basal plane. Interdiffusion coefficients and growth constants of all binary intermetallics in Mg-Al, -Zn, -Gd, and –Y systems were also obtained from diffusion couple experiments.The grain boundary diffusion of Al at high angle grain boundaries in polycrystalline Mg was also investigated with diffusion couple experiments. To obtain Al concentration profiles at the grain boundary, high resolution cold field emission-secondary electron microscope (CFE-SEM) energy dispersive spectroscopy (EDS) was used. Al diffusion at grain boundaries close to 75° misorientation is about two orders of magnitude higher than the one through for the bulk.In the present study, a multiphase diffusion couple simulation model was developed which can successfully explain the experimental results. A homogenization and dissolution model was also developed to explain the solution treatment process of Mg-Al and Mg-Zn alloys. The model was validated with the help of annealing experiments for the binary Mg-Al (3, 6 and 9 wt. % Al) and Mg-Zn (1.5, 4.0 and 5.5 wt. % Zn) alloys. The model was then extended to the ternary Mg-Al-Zn system to predict the homogenization and dissolution phenomenon for the AZ series alloys.The mutual solubilities of Mg and REE (Gd and Y) and the non-stoichiometries of intermetallics in the Mg-Gd and Mg-Y systems were also accurately determined with diffusion couple experiments. Based on our new phase diagram data and the data available in the literature, the thermodynamic modeling of the Mg-Gd and Mg-Y systems was performed.
Les alliages de magnésium reçoivent une attention mondiale dans le secteur du transport grâce à leur faible poid qui permet la conception de véhicules économes en carburant qui réduisent les émissions de CO2. Pour développer des alliages de Mg commerciaux et optimiser leurs processus de fabrication, une connaissance fondamentale de la thermodynamique et de la cinétique de diffusion est indispensable. Dans ces processus thermiquement activés, la diffusion peut jouer un rôle clé dans l'optimisation des paramètres du procédé. Il est donc impératif d'avoir une bonne connaissance de la diffusion pour comprendre les relations entre la microstructure et les paramètres de traitement à température élevée. Dans la présente étude, la cinétique de diffusion dans les alliages de Mg a été étudiée par des expériences et des simulations. Le magnésium pur a une structure cristalline hcp are un rapport c/a = 1,6236, entrainant une l'autodiffusion est anisotrope dans sa structure. Une diffusion anisotrope est également observée pour différents éléments d'alliage tels que Ag, Cd, In, Sb, Sn et Mg dans le Mg hcp. A l'exception de Ag, la diffusion du Mg et des éléments de soluté le long de l'axe a est plus rapide que celle observée le long de l'axe c dans le Mg hcp. Toutefois, le comportement anisotrope des éléments d'alliage les plus courants tels que Al et Zn n'a pas été étudié jusqu'à présent. De plus, aucune donnée n'est disponible pour les éléments des terres rares (REE) en dépit du fait que leur importance augmente dans les alliages de magnésium.Dans la présente étude, les coefficients anisotropes de diffusion d'impuretés de Al, Zn, Gd et Y suivent la même tendance que pour l'autodiffusion du Mg. Le coefficient de diffusion le long de l'axe a est maximum et est environ 1.3 fois plus rapide que celui le long de l'axe c à la température normale de traitement du matériau. En outre, l'effet de l'orientation du plan basal du Mg sur la diffusion de Al et Zn a été étudiée et on a constaté que les coefficients de diffusion de Al et Zn dans le Mg hcp diminue linéairement avec l'augmentation de l'angle de basculement du plan de base. Les coefficients d'interdiffusion et les constantes de croissance de tous les intermétalliques binaires des systèmes Mg-Al, -Zn, -Gd et -Y ont également été obtenus à partir d'expériences de diffusion.La diffusion aux joints des grains de Al à des angles élevés de joints dans du Mg polycristallin a également été étudiée à l'aide d'expériences de couple de diffusion. Pour obtenir des profils de concentration de Al aux joints de grain, la microscopie électronique à balayage dotée d'un canon à émission de champ froid (CFE-SEM) la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) ont été utilisés. La diffusion aux joints des grains de Al à des angles de désorientation proches de 75° est d'environ deux ordres de grandeur plus élevé que celle estimée pour la diffusion globale.Dans la présente étude, un modèle de simulation de couple de diffusion multiphasique a été développé qui peut expliquer avec succès les résultats expérimentaux. Un modèle d'homogénéisation et de dissolution a également été développé pour expliquer le procédé de traitement par solution pour les alliages de Mg-Al et Mg-Zn. Le modèle a été validé à l'aide d'expériences de recuit pour les alliages binaires Mg-Al (3, 6 et 9 % poids d'Al) et Mg-Zn (1.5, 4.0 et 5.5 % poids de Zn). Le modèle a ensuite été étendu au système ternaire Mg-Al-Zn afin de prédire l'homogénéisation et le phénomène de dissolution des alliages de la série AZ.Les solubilités mutuelles de Mg et des terres rares (Gd et Y) et la non stœchiométrie des intermétalliques dans les systèmes Mg-Gd et Mg-Y ont également été déterminés avec précision à l'aide d'expériences de couple de diffusion. Sur la base de nos nouvelles données de diagramme de phase et les données disponibles dans la littérature, la modélisation thermodynamique des systèmes Mg-Gd et Mg-Y a été réalisée.
Idioma: en