Un efecto sinérgico en el enriquecimiento del Mg

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 20053 (2022) Citar este artículo

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Las aleaciones de Mg-Al-Zn son ampliamente preferidas en muchas aplicaciones considerando sus excelentes propiedades de alta relación rigidez-peso, peso ligero, alta relación resistencia-peso, baja densidad, colabilidad, propiedades mecánicas a alta temperatura, maquinabilidad, alta resistencia a la corrosión y gran amortiguación. Mejorar las propiedades de tales aleaciones es un desafío debido a su estructura cristalina hexagonal y otras limitaciones de aleación. Este estudio tiene como objetivo sintetizar la aleación Mg-Al-Zn incorporando los elementos de aleación 8,3% en peso de Al, 0,35% en peso de Zn en magnesio puro (muestra de control). Luego, sintetice el compuesto híbrido Mg-Al-Zn/BN/B4C reforzando B4C en tres proporciones de peso (3 % en peso, 6 % en peso, 9 % en peso) junto con un lubricante sólido constante BN (3 % en peso) a través de un proceso de fundición por agitación. Las muestras compuestas híbridas se caracterizaron y compararon con los rendimientos de la muestra de control. Los resultados revelan que las muestras reforzadas con B4C al 9 % en peso obtuvieron mejores resultados al registrar una mejora de la resistencia a la tracción en un 28,94 %, la resistencia a la compresión en un 37,89 %, el límite elástico en un 74,63 % y la dureza en un 14,91 % que la muestra de control. Aparte de esto, redujo el área de corrosión (37,81 %) y notó cambios insignificantes en la densidad (aumentó un 0,03 %) y la porosidad (disminuyó un 0,01 %) que la muestra de control. Las muestras se caracterizaron utilizando aparatos SEM, XRD y EDAX.

Los materiales de baja densidad son cada vez más frecuentes en aplicaciones automotrices, aeroespaciales y marinas debido a su menor densidad y mayor eficiencia energética. En comparación con otros metales y aleaciones, el magnesio y sus aleaciones han ganado interés debido a su desempeño menos denso y alta resistencia a la compresión. Además, el magnesio es reciclable y la reducción de la emisión de CO2 es otra razón importante para cumplir con las aplicaciones funcionales1. A pesar de sus excelentes propiedades físicas, estos materiales tienen aplicaciones limitadas debido a su baja resistencia, módulo y resistencia al desgaste, son altamente reactivos y tienen poca resistencia a la fluencia a altas temperaturas2. Estas desventajas se pueden eliminar adhiriéndose a los métodos de procesamiento deseados y agregando elementos de aleación o refuerzo3. Sobre la base de los resultados presentados, se han utilizado cerámicas como el carburo de silicio, el óxido de aluminio, el carburo de boro, el nitruro de silicio, el dióxido de titanio, el nitruro de aluminio, el nitruro de titanio, el óxido de buttrio y el carburo de titanio para fortalecer las partículas compuestas por compuestos de magnesio4.Cerámica los refuerzos se pueden encapsular con un material de matriz, lo que genera limitaciones. El aumento de la fracción de peso de partículas de refuerzo de cerámica únicas en el material de la matriz aumentó la dureza, la densidad, la tenacidad y la fragilidad, pero se observó una disminución de la ductilidad y el porcentaje de elongación5. Esto se debe a la distribución homogénea de las partículas de refuerzo de la aleación matriz, mientras que la aglomeración da como resultado propiedades inferiores6. Los estudios de literatura determinaron que la inclusión de partículas cerámicas secundarias en el material original fortalece el material a través de una reducción en el tamaño de grano, determina las propiedades mecánicas de los compuestos y se afirma como un compuesto híbrido. Se han realizado numerosos estudios sobre la síntesis de compuestos híbridos de magnesio utilizando diferentes métodos de procesamiento y refuerzos7. El enfoque de pulvimetalurgia se utilizó para caracterizar el rendimiento de desgaste de los compuestos de magnesio. La inclusión de Grafito extendió la resistencia al desgaste de las mezclas híbridas y redujo las propiedades de microdureza8. Se empleó el método de agitación semisólida para desarrollar el comportamiento dinámico de tracción de los nanocompuestos híbridos de magnesio. Se observó que el endurecimiento por velocidad de deformación era distinto a diferentes temperaturas cuando se usaban Nanoscale SiC y MWCNT para el refuerzo9. La inclusión de partículas de SiC mejoró efectivamente la tasa de desgaste de los compuestos sintetizados debido al refuerzo de fibras cortas y compuestos fundidos mediante el método de fundición por compresión10. La metalurgia líquida se ha utilizado para desarrollar las propiedades mecánicas del carburo de boro y los complejos entremezclados de magnesio endurecido del grafito. La incorporación de grafito en la aleación de la matriz da como resultado una disminución de las características de desgaste11. La microestructura y las propiedades físicas de los compuestos híbridos de aluminio se examinaron utilizando diboruro de titanio y nitruro de boro como piezas de refuerzo, con la inclusión de BN con el propósito principal de mejorar la humectabilidad y la resistencia al desgaste12. Con base en la literatura, se ha concluido que la densidad ha influido significativamente en la elección del refuerzo para sintetizar compuestos híbridos de aleación de magnesio. De lo contrario, la densidad de tales combinaciones aumentaría y no coincidiría con las propiedades de reducción de peso para aplicaciones funcionales13. Como parte del estudio innovador propuesto, se han elegido refuerzos cerámicos con materiales de baja densidad para el desarrollo continuo de compuestos híbridos de aleación de magnesio. Se realizó un estudio de literatura para la brecha de investigación explicativa, y se resumieron algunas implicaciones para este estudio. Las aleaciones de Mg-Al-Zn tienen una estructura cristalina hexagonal, que afecta propiedades fundamentales como la tenacidad, la flexibilidad y otras propiedades. Aparte de eso, la energía superficial de este material es alta en comparación con otros materiales ligeros como el aluminio o el zinc. Aún así, tiene menos resistencia a la corrosión y al desgaste que el aluminio. También se observó que en las aleaciones de magnesio, el 10 % en peso de Al mejora la resistencia a la tracción, la dureza y la colabilidad al aumentar el endurecimiento de la solución sólida, y el 0,35 % de Zn forma fases de MgZn2 a lo largo de los límites de los granos, lo que da como resultado un excelente endurecimiento por envejecimiento y se encontró que proporciona características mejoradas. . Sin embargo, la adición de elementos de aleación está restringida a la aleación base de magnesio, ya que es parte integral de la compatibilidad ambiental del material14. Se clavó que solo la adición de partículas de refuerzo cerámicas como boruros, carburos y nitruros mejoran las propiedades de las aleaciones de Mg-Al-Zn. Se encontró que faltaba más investigación sobre la humectabilidad del carburo de boro y el nitruro de boro con aleaciones de Mg-Al-Zn como partículas reforzadas con partículas para consolidar compuestos híbridos. Dado que el magnesio se muestra altamente reactivo y forma óxido de magnesio cuando se expone a la atmósfera, es un gran inconveniente de tales aleaciones. Se pronosticaba que al agregar refuerzo de baja densidad a una combinación de diferentes materiales base, se recuperaba la densidad de los compuestos y se mejoraban notablemente sus propiedades mecánicas15. Un análisis literal encontró que la inclusión de refuerzo B4C de diferentes tamaños de partículas da como resultado una mayor resistencia mecánica del material. Aún así, el refuerzo BN es limitado a pesar de tener una densidad menor que B4C16. También infirió que el carburo de boro y el nitruro de boro no se habían investigado exhaustivamente como partículas reforzadas con partículas para consolidar compuestos híbridos basados ​​en aleaciones de Mg-Al-Zn. Las partículas recomendadas para refuerzo tienen una densidad menor de 2,5 g/cm3 y 2,1 g/cm3 para carburo de boro y nitruro de boro que otros refuerzos cerámicos. Al agregar esta combinación de refuerzo en diferentes materiales base, se ha restaurado la densidad del material final (compuesto) y se han mejorado aún más sus propiedades mecánicas. Los efectos fortalecen las propiedades de la aleación Mg-Al-Zn (91,35 % en peso de magnesio puro, 8,3 % en peso de aluminio, 0,35 % en peso de zinc) al reforzar el B4C en tres niveles (3 % en peso, 6 % en peso, 9 % en peso) con constante lubricante sólido BN del 3% en peso. aún no se ha informado hasta el momento. Dado que BN es lamelar en una estructura como el disulfuro de molibdeno y el grafito, y en comparación con estos, es un mejor lubricante sólido. Debido a este factor, se prefiere el BN como refuerzo secundario, y su peso porcentual se mantiene constante en la presente investigación. Por lo tanto, esta investigación aborda la síntesis, caracterización y prueba de muestras de compuestos híbridos de Mg-Al-Zn/BN/B4C y compara su rendimiento con la aleación de Mg-Al-Zn sintetizada como fundición (especímenes de control).

La novedad del presente estudio es sintetizar aleaciones de Mg-Al-Zn incorporando los elementos de aleación 8,3% en peso de aluminio, 0,35% en peso de zinc en magnesio puro. Luego, esta aleación fundida se reforzó con partículas de refuerzo de cerámica dura de B4C (3 % en peso, 6 % en peso, 9 % en peso) con lubricante sólido BN (3 % en peso) usando el proceso de fundición con agitación por vertido inferior y se compararon los tres Mg–Al– Rendimiento de los compuestos híbridos Zn/B4C/BN con aleación Mg-Al-Zn en términos de densidad, porosidad, dureza, resistencia a la tracción, límite elástico, porcentaje de elongación, resistencia a la compresión y tasa de corrosión, incluidas investigaciones microscópicas como SEM, XRD, etc. para garantizar la calidad del nuevo material para aplicaciones marinas, como carcasas de motores, cascos y aletas.

Este trabajo utiliza aleaciones disponibles comercialmente de Mg–Al–Zn–Si–Ni para desarrollar una aleación de magnesio, y los componentes químicos de estos materiales se describen en la Tabla 1. La inclusión de aluminio y zinc en las aleaciones de magnesio aumenta su dureza y resistencia a temperatura ambiente. Se cree que las aleaciones de Mg-Al-Zn se usan más comúnmente para la deducción de peso a temperatura ambiente. Además, tiene una alta relación resistencia-peso, buena flexibilidad, mejores propiedades de amortiguación y excelente colabilidad. Es ideal como material de matriz para la fabricación de compuestos híbridos de magnesio17. Los refuerzos B4C de (~ 1 µm) y BN (< 10 µm) de granulometría de Sigma Aldrich también se utilizan para incorporar dichos composites.

El aparato de colada por agitación del tipo de colada inferior se utiliza para producir materiales compuestos híbridos de aleación de magnesio con un entorno de gas inerte, como se muestra en la Fig. 1a. El troquel utilizado para fundir compuestos híbridos de aleación de magnesio se muestra en la Fig. 1b, y las muestras fabricadas de compuestos de aleación de Mg-Al-Zn se presentan en la Fig. 1c. Para hacer que el magnesio se funda, el horno de calentamiento por resistencia se precalienta inicialmente a 250 °C, luego se coloca la cantidad requerida de aleación de magnesio fundido en el horno y se funde durante 45 minutos antes de que la temperatura alcance los 750 °C. A través de abeto externo, se agrega a la masa fundida el refuerzo de partículas B4C variando su porcentaje en peso (3% en peso, 6% en peso y 9% en peso) y manteniendo constante el BN (3% en peso). Para evitar la oxidación y la combustión, se permitió que se descargaran en el horno 3,5 l/min de una mezcla de CO2 y SF6, y la temperatura de fusión se elevó a 750 °C. También se observó que la densidad es importante para mejorar la dispersión uniforme de las partículas cerámicas dentro del material base9. La razón de esto es que si la densidad del refuerzo es mínima, permanecerá solo en la parte superior de la lechada fundida, mientras que si la densidad es máxima, se asentará en el fondo. Mediante el uso de un parámetro de proceso eficaz, este problema se puede resolver.

(a) Aparato de fundición por agitación (b) Matriz utilizada para sintetizar compuestos híbridos de aleación de magnesio (c) Muestras de aleación de Mg-Al-Zn.

Para una agitación eficaz, también debe tenerse en cuenta el diámetro del agitador. Las partículas sólidas permanecen suspendidas en el borde exterior del recipiente cuando el diámetro del agitador es demasiado pequeño y pueden permanecer en el centro del recipiente si es demasiado grande. Como resultado, el diámetro del agitador se ha establecido en 0,4 D, según la cita bibliográfica19. Se debe considerar un parámetro asociado con el método de fundición por agitación para lograr una distribución homogénea de partículas en la aleación matriz. Debido a esto, la velocidad de agitación y el tiempo de agitación se mantuvieron a 600 rpm y 15 min, como se cita en la literatura20. Se encontró que la temperatura de vertido afecta significativamente la distribución de partículas. Las temperaturas de fusión más altas tienden a hacer flotar las partículas de cerámica hacia la superficie de la fusión, mientras que las temperaturas de fusión más bajas reducen la viscosidad de la fusión y dificultan la fundición21. Debido a estos hechos, la temperatura óptima para moldear compuestos híbridos de aleación de magnesio se mantuvo en alrededor de 700 °C para verter la suspensión fundida en la cavidad de la matriz. Se coloca una matriz EN24 con un diámetro de 0,022 m y una longitud de 0,2 m en el fondo del aparato y se recubre con polvo de azufre para evitar la oxidación y la quema de la suspensión fundida. Luego, la suspensión fundida se vierte en la matriz y se deja enfriar a presión atmosférica solo en la matriz. Se ha repetido el mismo procedimiento utilizando diferentes porcentajes de peso de refuerzo y sintetizando composites híbridos de aleación de magnesio.

El aumento de partículas cerámicas de baja densidad (B4C) hasta un máximo del 12 % en peso en la aleación de magnesio fundido provoca la aglomeración incluso cuando se aplica agitación para obtener una distribución homogénea de dichas partículas en la matriz. Esto no se puede lograr porque unas pocas partículas de cerámica no mojadas que flotan en la superficie fundida se unirán y acumularán en una región, lo que le dará malas propiedades mecánicas. El uso de un mayor porcentaje de partículas de cerámica en el compuesto de magnesio fundido aumenta su porosidad, formando una capa de SiO2 sobre las partículas de cerámica a medida que se llenan con lodo fundido. Se observó que cuando el número de partículas de refuerzo aumentaba al máximo, el porcentaje de cúmulos aumentaba a lo largo de varias regiones del material base, lo que generaba poros y una capa de gas que rodeaba las partículas de cerámica, lo que hacía que los cúmulos flotaran. Como resultado, el porcentaje en peso se limitó al 9% en peso, y los resultados de las mezclas híbridas sintetizadas se analizaron en Xiang et al.22.

Las medidas de rendimiento para los compuestos híbridos de aleación de magnesio se prepararon utilizando las normas ASTM. Se utiliza un microscopio metalúrgico invertido trinocular De-Winter para caracterizar la microestructura de los compuestos sintetizados. La densidad de los compuestos sintéticos se ha calculado utilizando los principios de Arquímedes con etanol como medio de suspensión. Utilizando Wilson Wolpert Alemania, se utiliza una prueba de microdureza Vickers para determinar la microdureza de los materiales bajo una carga de 1 kg. Usando una máquina de prueba universal, el estándar ASTM E8 se usa para estudiar el comportamiento de tracción de las mezclas híbridas. El rango de carga máxima es de 10 toneladas y la velocidad de corte es de 0,5 m/min. Para evaluar la resistencia a la compresión de una mezcla a temperatura ambiente, se utiliza la norma ASTM E9. La resistencia a la corrosión de los composites compuestos hibridados se ha analizado mediante el ensayo de niebla salina B11723.

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). Microestructura de un compuesto de aleación de Mg-Al-Zn reforzado con carburo de boro de proporciones de peso variables y constante de nitruro de boro.

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

Imagen SEM del compuesto de aleación Mg-Al-Zn reforzado con (a) 6% en peso de carburo de boro y 3% de nitrato de boro, (b) 9% en peso de carburo de boro y 3% de nitrato de boro, (c) imagen XRD de aleación de Mg-Al-Zn compuesto reforzado con 9% de carburo de boro y 3% de nitrato de boro, (d) análisis EDAX de la imagen del compuesto de aleación de Mg-Al-Zn reforzado con 9% de carburo de boro y 3% de nitrato de boro.

La reacción interfacial juega un papel vital en el aumento de las propiedades mecánicas de los compuestos híbridos de magnesio. La presencia de carburo de boro interactúa con la aleación de magnesio Mg-Al-Zn y forma los componentes intermetálicos de Mg17Al12, MgB2, Mg2Si, Mg3BN3, MgO, B2O3, MgC2 como se muestra en la Fig. 3c como se infiere en la literatura27. En la XRDA, se observan dos picos principales principales en la mezcla, como Mg y B4C, lo que resultó en la formación de pequeñas moléculas de MgO por la reacción parcial de Mg con oxígeno. Por el contrario, el MgC2 se forma por reacción con el carbono libre del sistema, pero esta fase es inestable y se deteriora rápidamente28. Además, se observó que el magnesio fundido reacciona con B4C para formar diboruro de magnesio, que libera carbono elemental. La presencia de picos de MgB4 en el patrón XRD demostró que MgB2 se descompone parcialmente para formar MgB4, lo que concuerda con hallazgos similares29. También se encontró que acomoda sitios de nucleación heterogéneos durante la solidificación, reduciendo así el tamaño de grano en la aleación matriz. Esto actúa como un mecanismo de fortalecimiento de la mezcla de aleación de magnesio fabricada30.

El análisis EDAX de las mezclas híbridas de aleación de Mg-Al-Zn que se muestran en la Fig. 3d indica que los elementos principales son Mg, Al, B, Si, N y algunos óxidos. Las observaciones han demostrado que la partícula de Si en una matriz continúa reaccionando con Mg para formar Mg2Si31. Como resultado de la presencia de Mg2Si, se mejoran las propiedades mecánicas de la mezcla de aleación de Mg-Al-Zn desarrollada, y este compuesto contiene una mezcla de composiciones de Mg-Al-Si-Mn-B-N.

Parece importante medir la densidad de los compuestos híbridos de aleación de magnesio sintetizados porque contienen partículas cerámicas de refuerzo con una densidad considerablemente mayor que el material base. Una mayor densidad de refuerzo de aleación de magnesio dará como resultado una mayor densidad de compuestos sintetizados. Esto tiene efectos perjudiciales sobre la percepción de las propiedades de reducción de peso. Teniendo en cuenta esos factores, la densidad y la porosidad de los compuestos híbridos de aleación de magnesio de alta densidad se han medido utilizando la ecuación de la regla de la mezcla. Por el contrario, su densidad experimental se ha medido utilizando el principio de Arquímedes con etanol como medio de suspensión. ecuaciones (1) y (2) dan una fórmula para calcular la densidad y la porosidad teóricas de los compuestos híbridos de aleación de magnesio32.

Debido a la incorporación de partículas de densidad superior en la mezcla heterogénea, el fortalecimiento en la proporción de refuerzo y la existencia de una reacción interfacial entre la matriz y el refuerzo, la densidad de la aleación híbrida de Mg-Al-Zn aumenta sustancialmente hasta un mínimo de 0,038% en comparación con la aleación de magnesio monolítica como se infiere en la Fig. 4. El aumento del porcentaje de partículas de cerámica binaria reduce significativamente la porosidad de los compuestos actualizados33. Además, las partículas cerámicas de refuerzo añadidas a la aleación fundida hicieron que las partículas se acumularan en la superficie de la masa fundida, incluso después de que la agitación mecánica mezclara las partículas de refuerzo29. La mayoría de estas partículas intentaron adherirse una vez que se detuvo la agitación. Sin embargo, la viscosidad reducida de estas partículas hizo que permanecieran en el área de la matriz, lo que resultó en una dispersión uniforme por toda la matriz. Esto se debe a una reducción en el atrapamiento de partículas de gas mientras se agregan las partículas de refuerzo híbrido en la masa fundida y se minimiza el efecto de contracción en el momento de la solidificación. Esto contribuye al aumento de las propiedades de compresión de los compuestos híbridos de aleación de magnesio desarrollados.

Densidad y porosidad de compuestos híbridos de aleación de Mg-Al-Zn.

La dureza de los compuestos híbridos desarrollados al variar la proporción de B4C y manteniendo el refuerzo BN se muestra en la Fig. 5. En comparación con las aleaciones monolíticas de magnesio, se muestra que la adición de refuerzo cerámico aumenta la dureza de los compuestos híbridos a un óptimo de 14,91 % Esto se debe a factores como la distribución uniforme de partículas cerámicas dentro del material base, la presencia de partículas de interfaz dura y la gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre la matriz y el refuerzo que aumentó significativamente la densidad de dislocación en las microestructuras de los compuestos sintetizados. como se reporta en la literatura34. Además, la combinación de partículas cerámicas de refuerzo en la matriz de aleación de magnesio aumenta el carburo de boro en todas las regiones y reduce los granos de la matriz. En consecuencia, un gran aumento en los límites de grano, que actúan como obstáculos para las dislocaciones, provoca un aumento en la microdureza de los compuestos híbridos sintetizados, como se infiere en la literatura35. Además, la inclusión del lubricante sólido de refuerzo secundario (BN) ayuda a aumentar la dureza de los compuestos sintetizados y actúa como una barrera, junto con el B4C, para evitar el paso de la dislocación durante la indentación.

Dureza de compuestos hibridados de aleación de magnesio.

En este estudio, se ha observado en la Fig. 6a que al mejorar la proporcionalidad de las partículas cerámicas duras, las resistencias máximas a la tracción y a la fluencia de la mezcla heterogénea de aleación de magnesio aumentaron considerablemente. Aún así, el porcentaje de elongación disminuyó, como se infiere en la Fig. 6b.

(a) Resistencia a la tracción y a la fluencia de los compuestos híbridos de aleación de Mg-Al-Zn (b) Porcentaje de elongación de los compuestos híbridos de aleación de Mg-Al-Zn (c) Resistencia a la compresión de los compuestos híbridos de aleación de Mg-Al-Zn.

Esto ocurrió debido a una excelente transferencia de carga de la matriz a la fase cerámica, el mecanismo de fortalecimiento de Orowan, el refinamiento del grano y las diferencias entre el rendimiento térmico y elastoplástico de los compuestos híbridos sintetizados36. Cuando el refuerzo se distribuye uniformemente en la matriz de magnesio, presenta dislocaciones de alta densidad. Por lo tanto, provoca una discrepancia entre el material original y las partículas de refuerzo, lo que actúa como un efecto de refuerzo cuando se deforman los compuestos híbridos37.

Se realizó una prueba de resistencia a la compresión según la norma ASTM E9 para compuestos híbridos de aleación de magnesio38. Como se discute en la literatura, bajo condiciones de carga, la deformación de los materiales de la matriz de magnesio varía según las propiedades de tracción (deslizamiento) y compresión (hermanamiento)39. En contraste con las aleaciones base Mg-Al-Zn, la resistencia a la compresión de las mezclas de aleaciones de magnesio fabricadas mejora significativamente, como se muestra en la Fig. 6c. Esto conduce a una distribución de la fuerza interfacial en toda la matriz de magnesio, un movimiento de maclado reducido y una estructura de grano refinado. Las observaciones han demostrado que el refinamiento de grano de la matriz en la matriz de Mg se ve afectado por el refuerzo y la distribución de partículas, lo que indica que la uniformidad de la distribución de partículas es suficiente para la reducción del tamaño de grano en una mezcla de aleación de magnesio hibridada. También se infiere que durante la deformación, la inclusión de refuerzo secundario alteraría las velocidades de deformación de los compuestos híbridos de aleación de magnesio; por lo tanto, la superficie de la fractura parece lisa. Se produce una deformación heterogénea en la matriz de aleación de magnesio en el límite del grano y, como tal, inhibe la deformación plástica pero deja el núcleo cristalino del grano cuando se produce la carga de compresión; por lo tanto, las propiedades compresivas de los compuestos híbridos de aleación de magnesio sintetizados aumentan significativamente, como se cita en la literatura.

También se ha observado que el aumento de la resistencia a temperatura ambiente se debe a la mejora del refinamiento del grano, como se muestra en la Fig. 7a,b. Al aumentar el endurecimiento del refuerzo de la aleación de la matriz, la propagación de grietas se ha minimizado al máximo cuando se aplican cargas a los materiales compuestos. Además, el mecanismo de deformación contribuye significativamente a mejorar las propiedades de tracción de los compuestos híbridos de aleación de magnesio porque agregar elementos de aluminio y zinc da como resultado una menor reducción de la energía de falla por apilamiento que entre los otros elementos34,35,36. Además, la incorporación de refuerzo secundario (BN) puede conducir a la generación de sitios de nucleación más heterogéneos (Mg17Al12) y, en consecuencia, a una mayor tenacidad a la fractura de los compuestos híbridos de magnesio. Como resultado, ocurre una falla prematura si la unión entre la matriz y el refuerzo no es sustancial. Esto no se puede observar en compuestos sintetizados.

( a, b ) Refinamiento de grano de AZ91 con 9% en peso de carburo de boro y 3% en peso de nitrato de boro.

Además, se encuentra que cuando se aumenta el porcentaje de refuerzo, el porcentaje de elongación disminuye significativamente. En consecuencia, el material compuesto puede ser quebradizo debido a la falta de superplasticidad que se produce al incluir un refuerzo cerámico duro. También se observa que las partículas forzadas entre sí durante la solidificación restringieron el crecimiento de la fase primaria y los núcleos de la aleación AZ91D.

Las aleaciones de magnesio son altamente reactivas en ambientes húmedos o mojados debido a su capa de óxido suelta, lo que hace que se corroan mucho más fácilmente en ambientes marinos con altas concentraciones acuosas40. La aparición de corrosión galvánica en las aleaciones de magnesio también puede plantear un problema, ya que el magnesio tiene el potencial de electrodo más bajo y funciona como ánodo. Aunque la aleación de Al y Zn con Mg aumenta su resistencia, son más propensos a la corrosión galvánica. En las pruebas de corrosión realizadas en aleaciones de Mg y AZ91 utilizando soluciones de NaCl 0,1 M, la aleación AZ91 mostró una mayor corrosión que el metal Mg. La influencia de elementos de aleación como Zr y Al en la resistencia a la corrosión del Mg se probó electroquímicamente. Descubrieron que la aleación AZ91 muestra la peor resistencia a la corrosión (9E−4 mm/año) entre las aleaciones AZ31, AZ91, AM60 y ZK6040. Durante la inmersión de aleaciones de magnesio en una solución de NaCl, ocurren las siguientes reacciones en la superficie, como se ilustra en las Ecs. (3, 4 and 5), y en la literatura se infirió un hallazgo similar41.

Cuando el magnesio entra en contacto con una solución acuosa, se forma hidróxido de magnesio en la superficie del magnesio, que actúa como una capa protectora. Sin embargo, dado que es porosa, esta capa no protegerá a la aleación de medios corrosivos que contengan Cl. Se pueden agregar partículas de refuerzo cerámicas adecuadas a la aleación de magnesio para superar este problema.

La resistencia a la corrosión de los compuestos híbridos desarrollados se evaluó de acuerdo con la prueba de niebla salina ASTM-B117, y los resultados se muestran en la Fig. 8. Agregar refuerzo híbrido (B4C y BN) a las aleaciones de magnesio aumenta la resistencia a la corrosión debido al acoplamiento galvánico, fase interfacial formación y cambios microestructurales entre los refuerzos y la matriz. Además, la tasa de corrosión de los compuestos sintetizados muestra una microestructura de dos fases que consta de una matriz de magnesio cristalino con una fase de aluminio (Mg17Al12) sobre los límites de grano42. Los compuestos híbridos que contienen fases eutécticas como Mg, Zn y Cu muestran un comportamiento de corrosión mejorado en una solución corrosiva de NaCl al 3,5 %, lo que afecta el volumen, la composición y la distribución de otras fases eutécticas.

La resistencia a la corrosión de los compuestos de magnesio.

En una investigación de un compuesto híbrido, se determinó que la matriz de alfa-Mg, que actúa como un microcátodo, estimula la corrosión a microescala, como se encuentra en una matriz de alfa-Mg citada en la literatura43. La presencia de la fase β reduce la superficie reactiva de los compuestos híbridos y, como consecuencia, la cantidad de corrosión observada en sus superficies se ha reducido. Además, para cada límite de grano alfa, una fase beta continua impide que la corrosión se disperse de un grano alfa a otro, evitando que se forme corrosión en la superficie de los granos α. Por lo tanto, los compuestos híbridos de aleación de magnesio se disuelven y la película beta completa se expone a la solución, lo que aumenta significativamente las tasas de corrosión. De la imagen SEM, es evidente que las fases β aparecen intensas. La fase α se materializa más finamente debido a que se solidifica inmediatamente a temperatura ambiente, como se muestra en la Fig. 9. Además, la apariencia de la fase β parece estrecha y continua, lo que inhibe la tasa de corrosión de la fase α uniformemente a través de la corrosión. que se forma en los compuestos externamente. Se ha observado que, al enfriarse rápidamente estos compuestos, forman granos primarios con un eutéctico irregular de fase α y β; por lo tanto, exhiben formas enriquecidas de eutécticos de α, lo que limita la probabilidad de ocurrencia de granos esenciales de α. Se ha observado una reducción del tamaño de grano debido al aumento de la concentración de la solución en relación con los granos α internos formados inicialmente. La presencia de granos finos se limita a ser fases β estables. Los granos finos se limitan a ser fases β estables sobre los límites de grano α y reaccionan como un obstáculo para aumentar el valor del momento de corrosión, por lo que se desacelera.

Morfología de varias fases de AZ91D + 9% en peso de B4C + 3% en peso de BN.

Según los estudios experimentales, la aleación de Mg-Al-Zn reforzada con B4C/BN sintetizada mediante el método de fundición por agitación mejoró significativamente debido a la mayor humectabilidad entre las mezclas. En la Tabla 2 se analizan y comparan hallazgos similares que los utilizan como refuerzo.

Los resultados de investigaciones relevantes y recientes fueron revisados ​​y presentados en la Tabla 2. Se encuentra que los refuerzos B4C y BN modifican significativamente las propiedades de los materiales. La presente investigación se enfoca en mejorar las propiedades de la aleación Mg–Al–Zn con refuerzos B4C y BN. A partir de los resultados experimentales, se observa que la aleación de Mg-Al-Zn reforzada con 9 % en peso de B4C y 3 % en peso de BN mejoró la dureza en un 14,91 %, la resistencia a la compresión en un 37,89 %, el límite elástico en un 74,63 % y la resistencia a la tracción en un 28,94 %, y resistencia a la corrosión en un 37,81%. Se observa que hay cambios insignificantes en la densidad y la porosidad, que aumentan en un 0,03 % y disminuyen en un 0,01 %, respectivamente.

Este estudio tiene como objetivo fortalecer las aleaciones de Mg-Al-Zn utilizando B4C y BN como partículas de refuerzo de cerámica. La aleación Mg-Al-Zn (91,35 % en peso de magnesio puro, 8,3 % en peso de aluminio, 0,35 % en peso de zinc) se fundió y reforzó aún más; Se utilizó un método de fundición por agitación para sintetizar tres tipos de compuestos híbridos Mg-Al-Zn/B4C/BN. Entre la mezcla híbrida desarrollada, el compuesto híbrido de aleaciones de Mg-Al-Zn reforzadas con 9% en peso de B4C/BN exhibió los resultados óptimos. Los estudios morfológicos aseguraron que había una buena integridad interfacial entre la matriz de Mg y el refuerzo de cerámica híbrida, ya que no se produjeron vacíos ni deshuesado en la interfaz partícula-matriz. También se afirmó que se identificó la reducción del tamaño de grano en la aleación matriz y se aseguró que actúan como un mecanismo de fortalecimiento de la mezcla de aleación de magnesio fabricada. Del análisis XRDA que la presencia de componentes intermetálicos de Mg17Al12, MgB2, Mg2Si, Mg3BN3, MgO, B2O3, MgC2. El análisis EDAX indica que esta mezcla híbrida combina composiciones de Mg–Al–Si–Mn–B–N, lo que indica propiedades mecánicas mejoradas. Los resultados significativos de las propiedades mecánicas, de corrosión y de dureza se proporcionan a continuación.

Debido a la presencia de la interfaz Mg2Si y un incremento en la proporción de partículas de refuerzo, la densidad de la mezcla sintética se amplificó sustancialmente a un mínimo de 0,03 %, y se observó una reducción en la porosidad de 0,01 % en comparación con la aleación monolítica de magnesio.

Las propiedades mecánicas como la dureza (14,91 %), la resistencia a la tracción (28,94 %) y el límite elástico (34 %) de los compuestos sintetizados aumentan significativamente. Por otro lado, el porcentaje de elongación ha disminuido en comparación con la aleación no reforzada.

La resistencia a la compresión (37,89 %) de los compuestos híbridos de aleación de magnesio sintetizados ha aumentado sustancialmente debido a la deformación heterogénea de la matriz de aleación de magnesio en el límite de grano.

Los compuestos híbridos de aleación de magnesio resistentes a la corrosión aumentaron hasta un máximo de (37,81 %) como consecuencia de la fase beta continua a lo largo del límite de grano alfa.

La limitación de este estudio es que el rango preferido de B4C es de hasta 9% en peso. Los resultados experimentales mostraron que la mayor contribución de refuerzo (9% en peso) superó en la mejora de las propiedades de la aleación de Mg-Al-Zn. Como investigación adicional, se puede observar que varios refuerzos de baja densidad pueden mejorar significativamente las propiedades de las aleaciones de Mg-Al-Zn. Con un menor consumo de combustible y emisiones de CO2, los materiales funcionales como el aluminio, el zinc y otros elementos de aleación se agregan al magnesio puro para reducir el impacto ambiental.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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mohammad khalid

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GA: Conceptualización, preparación del borrador original: Metodología y Análisis formal: GA; Revisión y edición del manuscrito: NMM, RRK y MK. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Gnanasambandam Anbuchezhiyan o Nabisab Mujawar Mubarak.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Anbuchezhiyan, G., Mubarak, NM, Karri, RR et al. Un efecto sinérgico en el enriquecimiento de las propiedades del compuesto híbrido basado en aleación de Mg-Al-Zn. Informe científico 12, 20053 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24427-8

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Recibido: 22 de septiembre de 2022

Aceptado: 15 de noviembre de 2022

Publicado: 21 noviembre 2022

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

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