Microstructure Evolution in Isochronally Heat Treated Mg–Gd Alloys

Abstract

High thermal stability and good mechanical properties are crucial for the wider future application of magnesium alloys. One of the most promising directions is the alloying of Mg with heavy rare earth elements such as Gd, Dy, Tb, etc. Three squeeze cast Mg–Gd binary alloys (up to 15 wt% Gd) have been investigated after a solution heat treatment by isochronal annealing up to 500 °C using electrical resistivity and hardness measurements. The microstructural development during this treatment, responsible for the observed changes, was observed by transmission electron microscopy. The decomposition of α′-Mg supersaturated solid solution in Mg–14.55 wt% Gd with increasing heating temperature is as follows: β″ (D019) metastable phase → β′ (c-b.c.o.) metastable phase → β(Mg5Gd f.c.c.) stable. Peak hardening is achieved by a heat treatment resulting in precipitation of β′ phase in the shape of fine plates parallel to all three 21-1-0 planes of the α-Mg matrix. At higher temperatures (above 280 °C) coarsening occurs and only one orientation of β′ plates remains. The decomposition of Mg–4.47 wt% Gd and Mg–9.33 wt% Gd alloys differs from that of Mg–14.55 wt% Gd by the absence of the β′ phase. Um das Anwendungsfeld für Magnesiumlegierungen zu erweitern, ist die Entwicklung von Legierungen mit hoher thermischer Stabilität bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften erforderlich. Eine der vielversprechendsten Entwicklungen ist das Zulegieren von schweren Seltenen Erden wie z. B. Gd, Dy und Tb. Nach einer Homogenisierungsbehandlung wurden drei preßgegossene binäre Mg–Gd-Legierungen (bis zu 15 Gew.% Gd) mit Hilfe elektrischer Widerstandsmessungen und Härtemessungen hinsichtlich ihres Verhaltens bei isochronen Glühungen bis zu 500 °C untersucht. Die während dieser Wärmebehandlung eingetretenen mikrostrukturellen Veränderungen wurden mittels transmissionselektronenmiskroskopischer Untersuchungen verfolgt. Mit der Glühungstemperaturerhöhung bilden sich in einer Mg–14,55 Gew% Gd-Legierung folgende Phasen: β″ (D019) metastabile Phase → β′ (c-b.c.o.) metastabile Phase → β (Mg5Gd f.c.c.) stabil. Die höchsten Härtewerte sind mit einer Wärmebehandlung erreichbar, die zur Bildung der β′-Phase in Form feiner Plättchen parallel zu allen drei 21-1-0-Ebenen der Mg-Matrix führt. Bei höheren Temperaturen (über 280 °C) bleibt nur eine Orientierung der β′-Phase erhalten und es tritt eine Vergröberung ein. Die korrespondierenden Entmischungsvorgänge in einer Mg–4,47 Gew.% Gd- und einer Mg–9,33 Gew.% Gd-Legierung ist durch die Abwesenheit der β′-Phase gekennzeichnet.