Please use this identifier to cite or link to this item: https://doi.org/10.15480/882.1318
Title: The role of intermetallic phases in the corrosion of magnesium-rare earth alloys
Language: English
Authors: Silva Campos, Maria del Rosario 
Keywords: intermetallic phases;corrosion;rare earth alloy;magnesium;Korrosionseigenschaft;intermetallische Phase;Magnesiumlegierung;Korrosionsbeständigkeit
Issue Date: 2016
Abstract (german): Die Rolle von intermetallischen Phasen in der Korrosion von Mg-SE-Legierungen In der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Konzept verfolgt, um eine SE-basierte Mg- Legierung mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit zu entwickeln. Anhand von nachfolgenden Charakterisierungsschritten wurden Gefüge und Korrosionseigenschaften korreliert und dabei weniger geeignete SE-Elemente schrittweise eliminiert. Zuerst wurden die Korrosionseigenschaften von ausgewählten reinen SE-Elementen bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden SE-Elemente ausgewählt, die ein Potential vermuten lassen, Mg-SE-Legierungen mit guten Korrosionseigenschaften zu ermöglichen. Dabei waren zwei Aspekte für die Auswahl der SE-Elemente wesentlich: die elektrochemischen Eigenschaften und die Löslichkeit im Magnesium. Ist die Löslichkeitsgrenze von SE-Elementen in der Mg-Matrix überschritten, bilden sich intermetallische Phasen mit Mg, die über Lokalelementbildung maßgeblich die Korrosionseigenschaften beeinflussen. Im nächsten Schritt wurden deshalb anhand von Polarisations- und Kontaktkorrosionsmessungen (intermetallische Phase/Matrix) die intermetallischen Phasen identifiziert, die eine gute elektrochemische Kompatibilität mit der Magnesiummatrix und hohe Eigenkorrosionsbeständigkeit aufweisen. An diesem Punkt blieben drei binäre Mg-SE-Systeme von Interesse übrig (Mg-Ce, Mg-La und Mg-Gd). Um den Einfluss der Zusammensetzung (Menge an intermetallischen Phasen) auf das Korrosionsverhalten zu bewerten, wurden je vier Legierungen mit Konzentrationen von 1, 5, 10 und 15 Gew.% der jeweiligen SE-Elemente gegossen. Ce und La haben eine geringere Löslichkeit im festen Zustand in der Mg-Matrix, so dass ein mit der Legierungskonzentration zunehmender Volumenanteil der intermetallischen Phasen vorliegt, der mit höheren Auflösungsraten der binären Mg-RE-Legierungen korreliert werden kann. Gd mit einer deutlich höheren Löslichkeit im festen Zustand zeigt diese Konzentrationsabhängigkeit der Korrosionsrate bis 10 Gew. % Gd nicht und das Gefüge kann wegen der hohen Löslichkeit einfach modifiziert werden. Insgesamt zeigte das Mg-Gd-System mit 10 Gew. % Gd im Gusszustand schon vielversprechende Korrosionseigenschaften, die durch weitere Modifikationen optimiert werden sollten. Im ersten Optimierungsschritt wurden unterschiedliche Wärmebehandlungen durchgeführt, um den Einfluss von Gefügeänderungen auf das Korrosionsverhalten zu verstehen. Fein verteilte Phasen hatten einen positiven Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit. Im zweiten Schritt wurde ein weiteres Legierungselement zu legiert, um die intermetallische Phase zu modifizieren. Zusätze von Al, Zn, Ga und Y zeigten jedoch eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Mg10Gd. Dieses Verhalten konnte auf steigende Volumenanteile der kritischen edleren intermetallischen Phasen und eine verstärkte eutektische Phasenbildung zurückgeführt werden. Die lokalen galvanischen Effekte verstärkten sich sowohl durch die erhöhte Menge der kathodischen Phasen und deren kritische V Anordnung in den eutektischen Regionen. Mn erwies sich als das einzige geeignete ternäre Legierungselement, da es nicht zur Bildung von neuen Mn-reichen intermetallischen Verbindungen führte und die Korrosionsbeständigkeit erhöhte. Es löste sich sowohl in der intermetallischen Mg5Gd-Phase als auch in der Matrix, ohne das Gefüge zu beeinflussen. Die negativen Einflüsse der intermetallischen Phase wurden durch die Mn-Zugabe reduziert, die Korrosionsbeständigkeit der Matrix und die Passivierbarkeit der Legierung verbessert. Zusammenfassend ermöglichen die Ergebnisse dieser Arbeit die Entwicklung neuer korrosionsbeständigerer Mg-Gd-Mn-Legierungen durch das Verständnis der grundlegenden Korrosionsmechanismen und der Korrelation von Gefüge (Rolle der intermetallischen Phasen) und der Korrosionseigenschaften. Abschließend wurden aufgrund der Ergebnisse deutlich bessere Korrosionseigenschaften für reduzierte Gd-Gehalte bei gleichbleibenden Mn-Gehalten vorhergesagt und experimentell verifiziert.
Abstract (english): The role of intermetallic phases in the corrosion of Mg-RE alloys A new concept to develop a RE based Mg alloy with improved corrosion resistance was followed in the current work. Based on subsequent characterisation steps to eliminate less suitable RE elements the best microstructure for improved corrosion resistance was identified. At first, the corrosion properties of selected RE elements were determined. Based on these results RE elements that have a potential to enhance the corrosion resistance of Mg-RE alloys were selected. Two aspects of RE elements were important for the selection: the electrochemical properties and the solid solubility in Mg. If the solubility limit of RE elements in the Mg matrix is exceeded, they form intermetallic phases with Mg. By performing galvanic coupling measurements the compatibility between Mg matrix and intermetallic phases were estimated. At that point three binary Mg-RE alloys systems remained (Mg-Ce, Mg-La, and Mg-Gd). To evaluate the influence of composition (amount of intermetallic phases) on the corrosion behaviour, four concentrations were cast with 1, 5, 10 and 15 wt. % of RE. Ce and La have a lower solid solubility in Mg matrix generating higher volume fraction of the secondary phases, thus higher dissolution rates in the binary Mg-RE alloys. While Gd with higher solid solubility shows a different behaviour. Additions of up to 10 wt. % Gd resulted in similar behaviour compared to 1 wt. % Gd addition. The most promising results were obtained for the Mg-Gd system with 10 wt. % Gd. Thus, the microstructure of this alloy was further modified by heat treatments to understand the influence of microstructural changes on corrosion behaviour. A ternary element was used to attempt further optimisation of the corrosion performance. Additions of Al, Zn, Ga and Y did not show any improvement in the corrosion resistance of Mg10Gd. This is due to increasing volume fractions of critical more noble phases and the microstructure dominated by eutectic phase formation. Thus galvanic effects became much stronger due to the increased amount of cathodic phases in the eutectic regions. Mn was the only suitable ternary alloying element as it did not lead to the formation of Mn-rich intermetallics. It was found in solid solution in the intermetallics and to a lesser extent in the matrix without modifying the microstructure but increasing the corrosion resistance. The results of this work allow the design of new corrosion resistant Mg-Gd-Mn alloys by electrochemical evaluation and understanding of the basic corrosion mechanisms and interactions of the different phases. Better performance was predicted for reduced Gd contents and was finally experimentally verified.
URI: http://tubdok.tub.tuhh.de/handle/11420/1321
DOI: 10.15480/882.1318
Institute: Werkstoffphysik und -technologie M-22 
Type: Dissertation
Thesis grantor: Technische Universität Hamburg
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