Un effet synergique sur l'enrichissement en Mg | Étang de nénuphars de Shenzhen Co., Ltd

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20053 (2022) Citer cet article

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Les alliages Mg – Al – Zn sont largement préférés dans de nombreuses applications en tenant compte de leurs excellentes propriétés de rapport rigidité / poids élevé, de légèreté, de rapport résistance / poids élevé, de faible densité, de coulabilité, de propriétés mécaniques à haute température, d'usinabilité, de haute résistance à la corrosion et excellent amortissement. L'amélioration des propriétés de ces alliages est difficile en raison de leur structure cristalline hexagonale et d'autres limitations d'alliage. Cette étude vise à synthétiser l'alliage Mg – Al – Zn en incorporant les éléments d'alliage 8,3 % en poids d'Al, 0,35 % en poids de Zn sur du magnésium pur (échantillon témoin). Ensuite, synthétisez le composite hybride Mg–Al–Zn/BN/B4C en renforçant le B4C dans trois proportions pondérales (3 % en poids, 6 % en poids, 9 % en poids) avec un lubrifiant solide constant BN (3 % en poids) par le biais d'un processus de moulage par agitation. Les échantillons composites hybrides ont été caractérisés et comparés aux performances de l'échantillon témoin. Les résultats révèlent que les échantillons renforcés à 9 % en poids de B4C ont obtenu de meilleurs résultats en enregistrant l'amélioration de la résistance à la traction de 28,94 %, la résistance à la compression de 37,89 %, la limite d'élasticité de 74,63 % et la dureté de 14,91 % par rapport à l'échantillon témoin. En dehors de cela, il a réduit la zone de corrosion (37,81 %) et a remarqué des changements négligeables de densité (augmentée de 0,03 %) et de porosité (diminuée de 0,01 %) par rapport à l'échantillon témoin. Les échantillons ont été caractérisés à l'aide d'appareils SEM, XRD et EDAX.

Les matériaux à faible densité sont de plus en plus répandus dans les applications automobiles, aérospatiales et marines en raison de leur efficacité énergétique moins dense et plus élevée. Par rapport à d'autres métaux et alliages, le magnésium et ses alliages ont gagné en intérêt en raison de leurs performances moins denses et de leur résistance à la compression élevée. De plus, le magnésium est recyclable avec une réduction des émissions de CO2 est une autre raison importante pour répondre aux applications fonctionnelles1. Malgré leurs excellentes propriétés physiques, ces matériaux ont des applications limitées en raison de leur faible résistance, module et résistance à l'usure, sont très réactifs et ont une faible résistance au fluage à haute température2. Ces inconvénients peuvent être supprimés en respectant les méthodes de traitement souhaitées et en ajoutant des éléments d'alliage ou de renforcement3. Sur la base des résultats présentés, des céramiques telles que le carbure de silicium, l'oxyde d'aluminium, le carbure de bore, le nitrure de silicium, le dioxyde de titane, le nitrure d'aluminium, le nitrure de titane, l'oxyde de Yettrium et le carbure de titane ont été utilisées pour renforcer les particules composées de composites de magnésium4. Céramique les renforts peuvent être encapsulés avec un matériau de matrice, ce qui entraîne des limitations. L'augmentation de la fraction pondérale des particules de renforcement céramiques uniques dans le matériau de la matrice a augmenté la dureté, la densité, la ténacité et la fragilité, mais une diminution de la ductilité et du pourcentage d'allongement a été observée5. Cela est dû à la distribution homogène des particules de renforcement de l'alliage de la matrice, tandis que l'agglomération entraîne des propriétés inférieures6. Les études de la littérature ont déterminé que l'inclusion de la particule céramique secondaire dans le matériau parent renforce le matériau grâce à une réduction de la taille des grains, détermine les propriétés mécaniques des composites et s'affirme comme un composite hybride. De nombreuses études ont été menées sur la synthèse de composites hybrides de magnésium en utilisant différentes méthodes de traitement et de renforcement7. L'approche de la métallurgie des poudres a été utilisée pour caractériser les performances d'usure des composites de magnésium. L'inclusion de graphite a prolongé la résistance à l'usure des mélanges hybrides et réduit les propriétés de microdureté8. La méthode d'agitation semi-solide a été utilisée pour développer le comportement dynamique en traction des nanocomposites hybrides de magnésium. Il a été observé que le durcissement de la vitesse de déformation était distinct à différentes températures lorsque le SiC à l'échelle nanométrique et le MWCNT étaient utilisés pour le renforcement9. L'inclusion de particules de SiC a amélioré efficacement le taux d'usure des composites synthétisés en raison du renforcement des fibres courtes et des composites coulés à l'aide de la méthode de moulage par compression10. La métallurgie liquide a été utilisée pour développer les propriétés mécaniques du carbure de bore et les complexes de mélanges de magnésium renforcés du graphite. L'incorporation de graphite dans l'alliage de la matrice entraîne une diminution des caractéristiques d'usure11. La microstructure et les propriétés physiques des composites hybrides d'aluminium ont été examinées en utilisant du diborure de titane et du nitrure de bore comme pièces de renforcement, l'inclusion de BN ayant pour objectif principal d'améliorer la mouillabilité tout en améliorant la résistance à l'usure12. Sur la base de la littérature, il a été conclu que la densité a considérablement influencé le choix du renforcement pour la synthèse de composites hybrides en alliage de magnésium. Dans le cas contraire, la densité de telles combinaisons augmenterait et ne correspondrait pas aux propriétés de réduction de poids pour les applications fonctionnelles13. Dans le cadre de l'étude innovante proposée, des renforts en céramique avec des matériaux à faible densité ont été choisis pour la poursuite du développement de composites hybrides en alliage de magnésium. Une étude de la littérature a été réalisée pour l'écart de recherche explicative, et certaines implications pour cette étude ont été résumées. Les alliages Mg – Al – Zn ont une structure cristalline hexagonale, qui affecte les propriétés fondamentales telles que la ténacité, la flexibilité et d'autres propriétés. En dehors de cela, l'énergie de surface de ce matériau est élevée par rapport à d'autres matériaux légers tels que l'aluminium ou le zinc. Pourtant, il a moins de résistance à la corrosion et à l'usure que l'aluminium. Il a également été observé que dans les alliages de magnésium, 10 % en poids d'Al améliorent la résistance à la traction, la dureté et la coulabilité en augmentant le renforcement en solution solide, et 0,35 % de Zn forme des phases MgZn2 le long des joints de grains, ce qui entraîne un excellent durcissement par vieillissement et s'est avéré fournir des caractéristiques améliorées. . Cependant, l'ajout d'éléments d'alliage est limité à l'alliage de magnésium de base, car il fait partie intégrante de la compatibilité environnementale du matériau14. Il a été établi que seule l'ajout de particules de renforcement céramiques telles que des borures, des carbures et des nitrures améliore les propriétés des alliages Mg-Al-Zn. Une enquête plus approfondie sur la mouillabilité du carbure de bore et du nitrure de bore avec des alliages Mg – Al – Zn en tant que particules renforcées en particules pour la consolidation de composites hybrides s'est avérée insuffisante. Étant donné que le magnésium présente une forte réactivité et forme de l'oxyde de magnésium lorsqu'il est exposé à l'atmosphère, il s'agit d'un inconvénient majeur de ces alliages. Il a été prévu qu'en ajoutant une faible densité de renfort à une combinaison de différents matériaux de base, la densité des composites a été restaurée et ses propriétés mécaniques ont été considérablement améliorées15. Une analyse littérale a révélé que l'inclusion de renforts B4C de différentes tailles de particules se traduit par une résistance mécanique plus élevée du matériau. Pourtant, le renforcement BN est limité malgré une densité inférieure à celle du B4C16. Il a également déduit que le carbure de bore et le nitrure de bore n'avaient pas été étudiés de manière approfondie en tant que particules renforcées de particules pour la consolidation d'un composite hybride à base d'alliage Mg – Al – Zn. Les particules recommandées pour le renforcement ont une densité plus faible de 2,5 g/cm3 et 2,1 g/cm3 pour le carbure de bore et le nitrure de bore que les autres renforts céramiques. En ajoutant cette combinaison de renfort dans différents matériaux de base, la densité du matériau final (composite) a été restaurée et ses propriétés mécaniques encore améliorées. Les effets renforcent les propriétés de l'alliage Mg-Al-Zn (91,35 % en poids de magnésium pur, 8,3 % en poids d'aluminium, 0,35 % en poids de zinc) en renforçant le B4C à trois niveaux (3 % en poids, 6 % en poids, 9 % en poids) avec une constante lubrifiant solide BN de 3 % en poids. n'a pas encore été signalé jusqu'à présent. Étant donné que le BN est lamellaire dans une structure comme le bisulfure de molybdène et le graphite, et par rapport à ceux-ci, il s'agit d'un meilleur lubrifiant solide. En raison de ce facteur, le BN est préféré comme renfort secondaire et son pourcentage de poids est maintenu constant dans la présente étude. Par conséquent, cette recherche porte sur la synthèse, la caractérisation et le test d'échantillons de composites hybrides Mg–Al–Zn/BN/B4C et la comparaison de leurs performances avec des alliages Mg–Al–Zn synthétisés sous forme coulée (échantillons de contrôle).

La nouveauté de la présente étude est la synthèse d'alliages Mg–Al–Zn en incorporant les éléments d'alliage 8,3 % en poids d'aluminium, 0,35 % en poids de zinc dans du magnésium pur. Ensuite, cet alliage coulé a été renforcé avec des particules de renforcement en céramique dure de B4C (3% en poids, 6% en poids, 9% en poids) avec un lubrifiant solide BN (3% en poids) en utilisant le processus de coulée par agitation par fond et comparé les trois Mg – Al – Performances des composites hybrides Zn/B4C/BN avec alliage Mg–Al–Zn en termes de densité, de porosité, de dureté, de résistance à la traction, de limite d'élasticité, de pourcentage d'allongement, de résistance à la compression et de vitesse de corrosion, y compris des investigations microscopiques telles que SEM, XRD, etc., pour garantir la qualité des nouveaux matériaux destinés aux applications marines telles que les carters de moteur, les coques et les ailerons.

Ce travail utilise des alliages de Mg–Al–Zn–Si–Ni disponibles dans le commerce pour développer un alliage de magnésium, et les constituants chimiques de ces matériaux sont décrits dans le tableau 1. L'inclusion d'aluminium et de zinc dans les alliages de magnésium augmente leur dureté et leur résistance à température ambiante. On pense que les alliages Mg – Al – Zn sont les plus couramment utilisés pour la réduction de poids à température ambiante. De plus, il a un rapport résistance/poids élevé, une bonne flexibilité, de meilleures propriétés d'amortissement et une excellente coulabilité. Il est idéal comme matériau de matrice pour la fabrication de composites hybrides de magnésium17. Les renforts B4C de (~ 1 µm) et BN (< 10 µm) de granulométrie de Sigma Aldrich sont également utilisés pour incorporer de tels composites.

L'appareil de coulée par agitation du type à coulée par le bas est utilisé pour produire des matériaux composites hybrides en alliage de magnésium avec un environnement de gaz inerte, comme illustré à la Fig. 1a. La matrice utilisée pour couler les composites hybrides en alliage de magnésium est illustrée à la Fig. 1b, et les échantillons fabriqués de composites en alliage Mg – Al – Zn sont présentés à la Fig. 1c. Pour faire fondre le magnésium, le four de chauffage par résistance est initialement préchauffé à 250 ° C, puis place la quantité requise d'alliage de magnésium coulé dans le four et le fait fondre pendant 45 minutes avant que la température ne soit portée à 750 ° C. Grâce à l'épicéa externe, le renforcement des particules de B4C en faisant varier leur pourcentage en poids (3% en poids, 6% en poids et 9% en poids) et en maintenant constant le BN (3% en poids) est ajouté à la masse fondue. Pour empêcher l'oxydation et la combustion, 3,5 l/min d'un mélange de CO2 et de SF6 ont été autorisés à se décharger dans le four, et la température de fusion a été portée à 750 °C. Il a également été noté que la densité est importante pour améliorer la dispersion uniforme des particules de céramique dans le matériau de base9. En effet, si la densité d'armature est minimale, elle restera seule au sommet du coulis fondu, alors que si la densité est maximale, elle se déposera au fond. En utilisant un paramètre de processus efficace, ce problème peut être résolu.

(a) Appareil de coulée par agitation (b) Matrice utilisée pour synthétiser des composites hybrides en alliage de magnésium (c) Échantillons d'alliage Mg – Al-Zn.

Pour une agitation efficace, le diamètre de l'agitateur doit également être pris en compte. Les particules solides restent en suspension au bord extérieur du récipient lorsque le diamètre de l'agitateur est trop petit et peuvent rester au centre du récipient s'il est trop grand. En conséquence, le diamètre de l'agitateur a été fixé à 0,4 D, conformément à la citation de la littérature19. Un paramètre associé à la méthode de moulage par agitation doit être pris en compte pour obtenir une distribution homogène des particules dans l'alliage de la matrice. De ce fait, la vitesse d'agitation et le temps d'agitation ont été maintenus à 600 tr/min et 15 min, comme cité dans la littérature20. Il a été constaté que la température de coulée affecte de manière significative la distribution des particules. Des températures de fusion plus élevées ont tendance à faire flotter les particules de céramique à la surface de la masse fondue, tandis que des températures de fusion plus basses réduisent la viscosité de la masse fondue et rendent la coulée plus difficile21. En raison de ces faits, la température optimale pour couler des composites hybrides en alliage de magnésium a été maintenue à environ 700 ° C pour verser la suspension fondue dans la cavité de la matrice. Une filière EN24 d'un diamètre de 0,022 m et d'une longueur de 0,2 m est placée dans le fond de l'appareil et recouverte de poudre de soufre pour éviter l'oxydation et la combustion de la bouillie fondue. Ensuite, la bouillie fondue est versée dans la filière et laissée refroidir à pression atmosphérique dans la filière seule. La même procédure a été répétée en utilisant différents pourcentages de poids de renforcement et en synthétisant des composites hybrides en alliage de magnésium.

L'augmentation des particules de céramique de faible densité (B4C) jusqu'à un maximum de 12 % en poids dans l'alliage de magnésium fondu provoque une agglomération même lorsqu'une agitation est appliquée pour obtenir une répartition homogène de ces particules dans la matrice. Cela ne peut pas être réalisé car quelques particules de céramique non mouillées qui flottent à la surface de la masse fondue se collent et s'accumulent dans une région, lui conférant de mauvaises propriétés mécaniques. L'utilisation d'un pourcentage plus élevé de particules de céramique dans le composite de magnésium coulé augmente sa porosité, formant une couche de SiO2 au-dessus des particules de céramique lorsqu'elles sont remplies de boue fondue. Il a été noté que lorsque le nombre de particules de renforcement augmentait au maximum, le pourcentage d'amas augmentait le long de plusieurs régions du matériau de base conduisant à des pores et à une couche de gaz entourant les particules de céramique faisant flotter les amas. En conséquence, le pourcentage en poids a été limité à 9 % en poids, et les résultats des mélanges hybrides synthétisés ont été discutés dans Xiang et al.22.

Les mesures de performance des composites hybrides en alliage de magnésium ont été préparées en utilisant les normes ASTM. Un microscope métallurgique inversé trinoculaire De-Winter est utilisé pour caractériser la microstructure des composites synthétisés. La densité des composites synthétiques a été calculée selon les principes d'Archimède avec de l'éthanol comme milieu de suspension. En utilisant Wilson Wolpert Germany, un test de dureté micro Vickers est utilisé pour déterminer la microdureté des matériaux sous une charge de 1 kg. À l'aide d'une machine d'essai universelle, la norme ASTM E8 est utilisée pour étudier le comportement en traction des mélanges hybrides. La plage de charge maximale est de 10 tonnes et le taux de cisaillement est de 0,5 m/min. Pour évaluer la résistance à la compression d'un mélange à température ambiante, la norme ASTM E9 est utilisée. La résistance à la corrosion des composites composites hybrides a été analysée à l'aide du test au brouillard salin 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.

(un F). Microstructure du composite d'alliage Mg–Al-Zn renforcée avec du carbure de bore de proportions pondérales variables et du nitrure de bore constant.

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.

Image SEM d'un composite d'alliage Mg – Al – Zn renforcé avec (a) 6 % en poids de carbure de bore et 3 % de nitrate de bore, (b) 9 % en poids de carbure de bore et 3 % de nitrate de bore, (c) Image XRD de l'alliage Mg – Al-Zn composite renforcé avec 9% de carbure de bore et 3% de nitrate de bore, (d) Analyse EDAX de l'image du composite Mg – Al-Zn Alloy renforcé avec 9% de carbure de bore et 3% de nitrate de bore.

La réaction interfaciale joue un rôle essentiel dans l'augmentation des propriétés mécaniques des composites hybrides de magnésium. La présence de carbure de bore interagit avec l'alliage de magnésium Mg – Al – Zn et forme les composants intermétalliques de Mg17Al12, MgB2, Mg2Si, Mg3BN3, MgO, B2O3, MgC2, comme le montre la Fig. 3c comme déduit dans la littérature27. Dans la XRDA, deux pics principaux majeurs sont observés dans le mélange, tels que Mg et B4C, ce qui a entraîné la formation de petites molécules de MgO par la réaction partielle de Mg avec l'oxygène. En revanche, MgC2 se forme par réaction avec le carbone libre du système, mais cette phase est instable et se détériore rapidement28. De plus, il a été observé que le magnésium fondu réagit avec le B4C pour former du diborure de magnésium, qui libère du carbone élémentaire. La présence de pics de MgB4 dans le schéma XRD a prouvé que MgB2 se décompose partiellement pour former MgB4, ce qui concorde avec des résultats similaires29. Il a également été constaté qu'il accueille des sites de nucléation hétérogènes lors de la solidification, réduisant ainsi la taille des grains dans l'alliage de la matrice. Cela agit comme un mécanisme de renforcement du mélange d'alliage de magnésium fabriqué30.

L'analyse EDAX des mélanges hybrides d'alliages Mg – Al – Zn illustrés à la Fig. 3d indique que les principaux éléments sont Mg, Al, B, Si, N et certains oxydes. Des observations ont montré que la particule Si dans une matrice continue de réagir avec Mg pour former Mg2Si31. En raison de la présence de Mg2Si, les propriétés mécaniques du mélange d'alliages Mg–Al–Zn développé sont améliorées, et ce composé contient un mélange de compositions Mg–Al–Si–Mn–B–N.

Il semble important de mesurer la densité des composites hybrides en alliage de magnésium synthétisé car ils contiennent des particules céramiques de renforcement avec une densité considérablement plus élevée que le matériau de base. Une densité plus élevée de renfort en alliage de magnésium se traduira par une densité plus élevée de composites synthétisés. Cela a des effets néfastes sur la perception des propriétés de réduction de poids. Compte tenu de ces facteurs, la densité et la porosité des composites hybrides en alliage de magnésium à haute densité ont été mesurées à l'aide de la règle de l'équation du mélange. En revanche, leur densité expérimentale a été mesurée en utilisant le principe d'Archimède avec de l'éthanol comme milieu de suspension. Éq. (1) et (2) donnent une formule pour calculer la densité théorique et la porosité des composites hybrides en alliage de magnésium32.

En raison de l'adhésion de particules de densité supérieure dans le mélange hétérogène, du renforcement de la proportion de renforcement et de l'existence d'une réaction interfaciale entre la matrice et le renforcement, la densité de l'alliage hybride Mg – Al – Zn est augmentée considérablement jusqu'à un minimum de 0,038 % par rapport à l'alliage de magnésium monolithique comme déduit à la Fig. 4. L'augmentation du pourcentage de particules céramiques binaires réduit considérablement la porosité des composites actualisés33. De plus, les particules de renforcement céramiques ajoutées à l'alliage fondu ont provoqué l'accumulation des particules à la surface du bain, même après qu'une agitation mécanique a mélangé les particules de renforcement29. La majorité de ces particules ont essayé de se coller une fois l'agitation arrêtée. Cependant, la viscosité réduite de ces particules les a fait rester dans la zone de la matrice, ce qui a entraîné une dispersion uniforme dans toute la matrice. Cela est dû à une réduction du piégeage des particules de gaz lors de l'ajout des particules de renforcement hybrides dans le bain fondu et à la minimisation de l'effet de retrait au moment de la solidification. Cela contribue aux propriétés de compression accrues des composites hybrides en alliage de magnésium développés.

Densité et porosité des composites hybrides en alliage Mg–Al–Zn.

La dureté des composites hybrides développés en faisant varier la proportion de B4C et en conservant le renfort BN est représentée sur la Fig. 5. Par rapport aux alliages de magnésium monolithiques, il est montré que l'ajout de renfort céramique augmente la dureté des composites hybrides jusqu'à un optimum de 14,91 %. Cela est dû à des facteurs tels que la distribution uniforme des particules de céramique à l'intérieur du matériau d'origine, la présence de particules d'interface dures et la grande différence de coefficient de dilatation thermique entre la matrice et le renforcement qui ont considérablement augmenté la densité de dislocation dans les microstructures des composites synthétisés. tel que rapporté dans la littérature34. De plus, la combinaison de particules de renforcement céramiques dans la matrice d'alliage de magnésium augmente le carbure de bore dans toutes les régions et réduit les grains de la matrice. Par conséquent, une forte augmentation des joints de grains, qui agissent comme des obstacles aux dislocations, entraîne une augmentation de la microdureté des composites hybrides synthétisés, comme l'infère la littérature35. De plus, l'inclusion de lubrifiant solide de renfort secondaire (BN) aide à augmenter la dureté des composites synthétisés et agit comme une barrière, avec le B4C, en empêchant le passage de la dislocation pendant l'indentation.

Dureté des composites hybrides en alliage de magnésium.

Dans cette étude, il a été observé à partir de la Fig. 6a qu'en améliorant la proportionnalité des particules de céramique dures, les limites ultimes de traction et d'élasticité du mélange hétérogène d'alliage de magnésium ont considérablement augmenté. Pourtant, le pourcentage d'allongement a diminué, comme le montre la figure 6b.

( a ) Résistance à la traction et à l'élasticité des composites hybrides en alliage Mg – Al – Zn ( b ) Pourcentage d'allongement des composites hybrides en alliage Mg – Al – Zn ( c ) Résistance à la compression des composites hybrides en alliage Mg – Al – Zn.

Cela s'est produit en raison d'un excellent transfert de charge de la matrice à la phase céramique, du mécanisme de renforcement d'Orowan, du raffinement du grain et des différences entre les performances thermiques et élastoplastiques des composites hybrides synthétisés36. Lorsque le renfort est uniformément réparti dans la matrice de magnésium, il présente des dislocations de haute densité. Il provoque donc un écart entre le matériau d'origine et les particules de renfort, ce qui agit comme un effet de renforcement lorsque les composites hybrides sont tendus37.

Un test de résistance à la compression a été effectué conformément à la norme ASTM E9 pour les composites hybrides en alliage de magnésium38. Comme discuté dans la littérature, dans des conditions de chargement, la déformation des matériaux à matrice de magnésium varie pour les propriétés de traction (glissement) et de compression (macles)39. Contrairement aux alliages à base de Mg – Al – Zn, la résistance à la compression des mélanges d'alliages de magnésium fabriqués est considérablement améliorée, comme le montre la figure 6c. Cela conduit à une distribution de résistance interfaciale dans toute la matrice de magnésium, à un mouvement de maclage réduit et à une structure de grain raffinée. Des observations ont montré que le raffinement des grains de la matrice dans la matrice Mg est affecté par le renforcement et la distribution des particules, indiquant que l'uniformité de la distribution des particules est suffisante pour la réduction de la taille des grains dans un mélange d'alliage de magnésium hybride. Il est également déduit que lors de la déformation, l'inclusion d'un renforcement secondaire modifierait les taux de déformation des composites hybrides en alliage de magnésium ; par conséquent, la surface de fracture apparaît lisse. Une déformation hétérogène sur la matrice d'alliage de magnésium se produit à la limite des grains et, en tant que telle, inhibe la déformation plastique mais laisse le noyau cristallin du grain lorsque la charge de compression se produit ; par conséquent, les propriétés de compression des composites hybrides en alliage de magnésium synthétisé augmentent de manière significative, comme cité dans la littérature.

Il a également été noté que la résistance accrue à température ambiante est due à l'amélioration du raffinement du grain, comme le montrent les figures 7a, b. En augmentant le durcissement du renfort en alliage de matrice, la propagation des fissures a été minimisée à son maximum lors de l'application de charges aux composites. De plus, le mécanisme de déformation contribue de manière significative à améliorer les propriétés de traction des composites hybrides en alliage de magnésium, car l'ajout d'éléments d'aluminium et de zinc entraîne une moindre réduction de l'énergie de défaut d'empilement que parmi les autres éléments34,35,36. De plus, l'incorporation d'un renforcement secondaire (BN) peut conduire à la génération de sites de nucléation hétérogènes plus élevés (Mg17Al12) et par conséquent conduire à une plus grande ténacité à la rupture des composites hybrides de magnésium. En conséquence, une défaillance prématurée se produit si la liaison entre la matrice et le renforcement n'est pas substantielle. Cela ne peut pas être observé dans les composites synthétisés.

( a, b ) Raffinement du grain d'AZ91 avec 9 % en poids de carbure de bore et 3 % en poids de nitrate de bore.

De plus, on constate que lorsque l'on augmente le pourcentage de renfort, le pourcentage d'allongement diminue significativement. Par conséquent, le composite peut être cassant en raison du manque de superplasticité produit par l'inclusion d'un renfort en céramique dure. Il est également à noter que les particules forcées les unes contre les autres lors de la solidification ont limité la croissance de la phase primaire et des noyaux de l'alliage AZ91D.

Les alliages de magnésium sont très réactifs dans les environnements humides ou mouillés en raison de leur couche d'oxyde détachée, ce qui les amène à se corroder beaucoup plus facilement dans les environnements marins à fortes concentrations aqueuses40. L'apparition d'une corrosion galvanique dans les alliages de magnésium peut également poser un problème car le magnésium a le potentiel d'électrode le plus bas et fonctionne comme une anode. Même si l'alliage d'Al et de Zn avec du Mg augmente leur résistance, ils sont plus sujets à la corrosion galvanique. Dans les tests de corrosion effectués sur les alliages Mg et AZ91 en utilisant des solutions de NaCl 0,1 M, l'alliage AZ91 a présenté une corrosion plus élevée que le métal Mg. L'influence d'éléments d'alliage tels que Zr et Al sur la résistance à la corrosion de Mg a été testée électrochimiquement. Ils ont constaté que l'alliage AZ91 présente la plus mauvaise résistance à la corrosion (9E−4 mm/an) parmi les alliages AZ31, AZ91, AM60 et ZK6040. Lors de l'immersion d'alliages de magnésium dans une solution de NaCl, les réactions suivantes se produisent à la surface, comme illustré dans les équations. (3, 4 et 5), et un résultat similaire a été déduit dans la littérature41.

Lorsque le magnésium entre en contact avec une solution aqueuse, de l'hydroxyde de magnésium se forme à la surface du magnésium, servant de couche protectrice. Cependant, étant poreuse, cette couche ne protégera pas l'alliage des milieux corrosifs contenant du Cl. Des particules de renforcement céramiques appropriées peuvent être ajoutées à l'alliage de magnésium pour surmonter ce problème.

La résistance à la corrosion des composites hybrides développés a été évaluée selon le test de brouillard salin ASTM-B117, et les résultats sont présentés à la Fig. 8. L'ajout d'un renforcement hybride (B4C et BN) aux alliages de magnésium augmente la résistance à la corrosion en raison du couplage galvanique, formation et les changements microstructuraux entre les renforts et la matrice. De plus, la vitesse de corrosion des composites synthétisés affiche une microstructure à deux phases constituée d'une matrice de magnésium cristallin avec une phase d'aluminium (Mg17Al12) sur les joints de grains42. Les composites hybrides contenant des phases eutectiques telles que Mg, Zn et Cu présentent un comportement de corrosion amélioré dans une solution corrosive de 3,5 % de NaCl, ce qui affecte le volume, la composition et la distribution des autres phases eutectiques.

La résistance à la corrosion des composites de magnésium.

Dans une enquête sur un composite hybride, il a été déterminé que la matrice alpha-Mg, qui agit comme une micro cathode, stimule la corrosion à des micro-échelles, comme on le trouve dans une matrice alpha-Mg comme cité dans la littérature43. La présence de la phase β réduit la surface réactive des composites hybrides et, par conséquent, la quantité de corrosion observée sur leurs surfaces a été réduite. De plus, pour chaque joint de grain alpha, une phase bêta continue empêche la corrosion de se disperser d'un grain alpha à l'autre, empêchant la corrosion de se former à la surface des grains α. Ainsi, les composites hybrides en alliage de magnésium se dissolvent et le film bêta complet est exposé à la solution, ce qui augmente considérablement les taux de corrosion. D'après l'image SEM, il est évident que les phases β apparaissent intenses. La phase α se matérialise plus finement en raison de sa solidification immédiate à température ambiante, comme le montre la Fig. 9. De plus, l'apparence de la phase β apparaît étroite et continue, inhibant ainsi la vitesse de corrosion de la phase α uniformément à travers la corrosion. qui se forme sur les composites à l'extérieur. Il a été observé que lors d'un refroidissement rapide de ces composites, ils forment des grains primaires avec un eutectique irrégulier de phase α et β ; ainsi, ils présentent des formes enrichies d'eutectique de α, qui limitent la probabilité d'apparition de grains α essentiels. Une réduction de la taille des grains a été observée en raison de l'augmentation de la concentration de la solution par rapport aux grains α internes initialement formés. La présence de grains fins se limite à être des phases β stables. Les grains fins se limitent à être des phases β stables sur les joints de grains α et réagissent comme un obstacle pour donner au moment de corrosion une valeur accrue, en décélérant par conséquent.

Morphologie des différentes phases de AZ91D + 9wt% B4C + 3wt% BN.

Sur la base des études expérimentales, l'alliage Mg – Al – Zn renforcé B4C / BN synthétisé à l'aide de la méthode de coulée sous agitation s'est considérablement amélioré en raison d'une meilleure mouillabilité entre les mélanges. Des résultats similaires utilisant ceux-ci comme renforcement sont discutés et comparés dans le tableau 2.

Les résultats d'investigations pertinentes et récentes ont été passés en revue et présentés dans le tableau 2. On constate que les renforts B4C et BN modifient significativement les propriétés des matériaux. La présente étude se concentre sur l'amélioration des propriétés de l'alliage Mg–Al–Zn avec des renforts B4C et BN. D'après les résultats expérimentaux, on observe que l'alliage Mg – Al – Zn renforcé avec 9 % en poids de B4C et 3 % en poids de BN a amélioré la dureté de 14,91 %, la résistance à la compression de 37,89 %, la limite d'élasticité de 74,63 %, la résistance à la traction de 28,94 % et résistance à la corrosion de 37,81 %. On observe qu'il y a des changements négligeables dans la densité et la porosité, qui sont augmentées de 0,03 % et diminuées de 0,01 %, respectivement.

Cette étude vise à renforcer les alliages Mg–Al–Zn en utilisant B4C et BN comme particules de renforcement de céramique. L'alliage Mg-Al-Zn (91,35 % en poids de magnésium pur, 8,3 % en poids d'aluminium, 0,35 % en poids de zinc) a été coulé et renforcé ; une méthode de moulage par agitation a été utilisée pour synthétiser trois types de composites hybrides Mg–Al–Zn/B4C/BN. Parmi le mélange hybride développé, le composite hybride d'alliages Mg–Al–Zn renforcé à 9 % en poids de B4C/BN a présenté les résultats optimaux. Des études morphologiques ont assuré qu'il y avait une bonne intégrité interfaciale entre la matrice Mg et le renfort céramique hybride, car aucun vide ou désossage ne s'est produit à l'interface particule-matrice. Il a également été affirmé que la réduction de la taille des grains dans l'alliage de la matrice a été identifiée et a assuré qu'ils agissent comme un mécanisme de renforcement du mélange d'alliage de magnésium fabriqué. De l'analyse XRDA que la présence de composants intermétalliques de Mg17Al12, MgB2, Mg2Si, Mg3BN3, MgO, B2O3, MgC2. L'analyse EDAX indique que ce mélange hybride mélange les compositions Mg–Al–Si–Mn–B–N, indiquant des propriétés mécaniques améliorées. Les résultats significatifs des propriétés mécaniques, de corrosion et de dureté sont fournis ci-dessous.

En raison de la présence de l'interface Mg2Si et d'une augmentation de la proportion de particules de renforcement, la densité du mélange synthétique s'est sensiblement amplifiée à un minimum de 0,03 %, et une réduction de la porosité a été observée de 0,01 % par rapport à l'alliage de magnésium monolithique.

Les propriétés mécaniques telles que la dureté (14,91%), la résistance à la traction (28,94%) et la limite d'élasticité (34%) des composites synthétisés sont considérablement augmentées. En revanche, le pourcentage d'allongement a diminué par rapport à l'alliage non renforcé.

La résistance à la compression (37,89 %) des composites hybrides en alliage de magnésium synthétisés a considérablement augmenté en raison de la déformation hétérogène de la matrice d'alliage de magnésium à la limite des grains.

Les composites hybrides en alliage de magnésium résistant à la corrosion ont augmenté jusqu'à un maximum de (37,81%) en raison de la phase bêta continue le long de la limite de grain alpha.

La limitation de cette étude est la plage préférée de B4C allant jusqu'à 9 % en poids. Les résultats expérimentaux ont montré que la contribution la plus élevée du renforcement (9 % en poids) surpassait l'amélioration des propriétés de l'alliage Mg–Al–Zn. Comme une enquête plus approfondie, on peut observer que divers renforts à faible densité peuvent améliorer de manière significative les propriétés des alliages Mg-Al-Zn. Avec une consommation de carburant et des émissions de CO2 réduites, des matériaux fonctionnels tels que l'aluminium, le zinc et d'autres éléments d'alliage sont ajoutés au magnésium pur pour réduire l'impact environnemental.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Département de génie mécanique, Saveetha School of Engineering, Saveetha Institute of Medical and Technical Sciences, Chennai, 602105, Tamil Nadu, Inde

Gnanasambandam Anbuchezhiyan

Génie pétrolier et chimique, Faculté d'ingénierie, Universiti Teknologi Brunei, BE1410, Bandar Seri Begawan, Brunei Darussalam

Nabisab Mujawar Moubarak et Rama Rao Karri

Groupe de recherche sur le graphène et les matériaux 2D avancés (GAMRG), École d'ingénierie et de technologie, Université Sunway, n ° 5, Université Jalan, Bandar Sunway, 47500, Petaling Jaya, Selangor, Malaisie

Mohamed Khalid

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GA : Conceptualisation, préparation du projet original : Méthodologie et analyse formelle : GA ; Révision et édition du manuscrit : NMM, RRK et MK. Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Gnanasambandam Anbuchezhiyan ou Nabisab Mujawar Mubarak.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Anbuchezhiyan, G., Moubarak, NM, Karri, RR et al. Un effet synergique sur l'enrichissement des propriétés du composite hybride à base d'alliage Mg–Al–Zn. Sci Rep 12, 20053 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24427-8

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Reçu : 22 septembre 2022

Accepté : 15 novembre 2022

Publié: 21 novembre 2022

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

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