Effects of substituting ytterbium for scandium on the microstructure and properties of Al-Sc and Al-Mg-Sc alloys

Abstract

Al(Sc) alloys represent a new class of potential alloys for high performance structural applications. The excellent properties obtained from the combination of solid-solution hardening and precipitation hardening in Al–Mg–Sc alloys make these alloys very attractive to automotive, aerospace, and structural applications. However, the Sc high cost limits the applications and the addition of cheaper alloying elements that substitutes partially Sc are not only desirable but crucial. In order to reduce the cost of Sc–containing Al alloys and maintain their mechanical properties, the microstructure and mechanical properties of Al–Sc–Yb and Al–Mg–Sc–Yb alloys in comparison with Al–Sc and Al–Mg–Sc alloys were studied. The results showed the similarity of microstructure, hardness and aging behaviour of Al–0.24Sc–0.07Yb alloy in comparison with Al–0.28Sc alloy and Al–4 wt% Mg–0.3 wt% Sc alloy with Al–4 wt% Mg–0.24 wt% Sc–0.06 wt% Yb alloy. The approximately spheroidal Al3Sc and Al3(Sc,Yb) precipitates were uniformly distributed throughout the α–Al matrix. The precipitates remain fully coherent with α–Al matrix even after aging at high temperature for long time. In another aspect, the grain refinement in Al–Mg–Sc alloys with and without ultrasonic treatment at various pouring temperatures was investigated. The average grain size of Al–Mg–Sc alloy remarkably decreases by increasing the content of Mg or by adding 0.3 wt% of Sc. The pouring temperature has a strong effect on the microstructure of Al–1Mg–0.3Sc alloy. Lower pouring temperature leads to smaller grain size and more homogeneous microstructure. Ultrasonic vibration proved to be a potential grain refinement technique of Al–1Mg–0.3Sc. Significant grain refinement was obtained by applying ultrasonic treatment within the temperature range from 700 to 740 °C. The corrosion behaviour of Al–Sc, Al–Sc–Yb, Al–Mg, Al–Mg–Sc and Al–Mg–Sc–Yb alloys in 3.5 wt% NaCl solution was investigated by immersion and potentiodynamic polarisation analysis in order to understand the effect of Sc, Yb, and heat treatment on the localized corrosion and electrochemical behaviour. The addition of Yb decreases the corrosion tendency and improves the pitting corrosion resistance of Al–Sc alloy.. The addition of Sc and Yb to Al–4Mg alloy decrease the susceptibility to corrosion of the heat treated alloys.

As ligas de alumínio com adição de escândio apresentam um elevado potencial para aplicações estruturais de elevados desempenho. O efeito combinado do endurecimento por solução sólida e por precipitação, resultante da adição de Sc às ligas Al-Mg alarga o campo da aplicação destas ligas, nomeadamente à indústria dos transportes. No entanto o elevado custo do escândio tem limitado a aplicação destas ligas, pelo que a substituição parcial Sc por outros elementos de liga de menor custo é crucial para o desenvolvimento destes materiais. Tendo em vista a redução do custo das ligas com Sc, mas mantendo o mesmo nível de propriedades, o presente trabalho incidiu no estudo do efeito da substituição parcial do Sc pelo Yb em ligas Al-Sc e Al-Mg-Sc. Os resultados mostram que a substituição parcial de Sc por Yb não induz alterações significativas no comportamento das ligas. Comparando as ligas Al–0.28Sc e Al–0.24Sc–0.07Yb com as ligas Al–4Mg–0.3Sc e Al–4Mg–0.24Sc–0.06Yb, respetivamente, verifica-se uma grande semelhança tanto a nível de microestrutura como de dureza e cinética de envelhecimento. O endurecimento resulta formação de precipitados Al3Sc e Al3(Sc,Yb) coerentes, fina e uniformemente dispersos na matriz α–Al. Neste trabalho foi ainda estudado o efeito do tratamento por ultra-sons na estrutura de vazamento. Os resultados mostram que os ultra-sons originam uma afinação significativa do grão. Verificou-se também que com o teor em Mg, a adição de Sc e a diminuição da temperatura de vazamento têm um efeito significativo na estrutura de vazamento. O comportamento à corrosão das ligas Al–Sc, Al–Sc–Yb, Al–Mg, Al–Mg–Sc and Al–Mg–Sc–Yb numa solução de NaCl (3.5% wt.) foi estudado através de ensaios de imersão e de polarização potenciodinâmica, tendo sido avaliado o efeito da adição de Sc e Yb bem como do tratamento térmico no comportamento eletroquímico e corrosão localizada. A adição de Yb às ligas de Al-Sc diminui a tendência para a corrosão e melhora a resistência à corrosão por picada.. A adição de Sc e Yb à liga Al-4Mg envelhecida diminui a suscetibilidade à corrosão nas ligas Al-4Mg-0.3Sc e Al-4Mg-0.24Sc-0.006Yb.