Optimization of heat treatment regime for a new biodegradable Mg-Zr-Nd alloy with enhanced mechanical properties

Abstract

EN: Purpose. To develop a rational heat treatment regime for a new biodegradable magnesium alloy of the Mg-Zr-Nd system, to ensure enhanced mechanical properties throughout the entire treatment period. Research methods. Differential thermal analysis (DTA) was used to determine phase transformation temperatures. Microstructure analysis was conducted using optical microscopy (“Neophot 32” and “OLYMPUS IX 70”) and scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SELMI RЕМ-106I). Mechanical properties were determined using an INSTRON 2801 testing machine. The influence of cooling rate on microstructure and properties was studied using ProCAST simulation software. Heat treatment was carried out in a Bellevue type shaft furnace and a PAP-4M furnace. X-ray analysis was used to detect internal defects in samples. Results. A new heat treatment regime was developed for the biodegradable Mg-3.15Nd-1.25Zr-0.6Zn (wt%) alloy. Using differential thermal analysis and microstructure studies at various quenching temperatures, the optimal quenching temperature was established at 560 °C. Empirical relationships describing the influence of heat treatment parameters on the alloy’s microstructure were calculated. The new heat treatment regime (quenching from 560 °C for 8 hours, air cooling + aging at 200 °C for 16 hours) resulted in improved mechanical properties (UTS = 276–282 MPa, δ = 5.2–5.8%) compared to the standard T6 regime. Scientific novelty. For the first time, a comprehensive study of the influence of heat treatment parameters on the structure and properties of a new Mg-3.15Nd-1.25Zr-0.6Zn (wt%) alloy with increased content of alloying elements was conducted. New dependencies describing the influence of quenching temperature on the alloy's grain size were established. Practical value. A new heat treatment regime for the biodegradable magnesium alloy was developed, which ensures complete dissolution of the pseudoeutectic phase and formation of strengthening phases, resulting in improved mechanical properties compared to the standard alloy Mg-2.5Nd-0.4Zn-0.5Zr (wt%) and the standard T6 regime. UK: Методи дослідження. Диференціально-термічний аналіз (ДТА) використовувався для визначення температур фазових перетворень. Аналіз мікроструктури проводився за допомогою оптичної мікроскопії («Neophot 32» та «OLYMPUS IX 70») та скануючої електронної мікроскопії з енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією (SELMI РЕМ-106I). Механічні властивості визначалися на випробувальній машині INSTRON 2801. Вплив швидкості охолодження на мікроструктуру та властивості вивчався за допомогою програмного забезпечення ProCAST. Термічна обробка проводилася в шахтній печі типу Bellevue та печі ПAП-4M. Рентгенівський аналіз використовувався для виявлення внутрішніх дефектів у зразках. Результати. Розроблено новий режим термічної обробки для біодеградуючого сплаву Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn (мас. %). За допомогою диференціально-термічного аналізу та дослідження мікроструктури при різних температурах гартування встановлено оптимальну температуру гартування 560 °C. Розраховано емпіричні залежності, що описують вплив параметрів термічної обробки на мікроструктуру сплаву. Новий режим термічної обробки (гартування від 560 °C протягом 8 годин, охолодження на повітрі + старіння при 200 °C протягом 16 годин) призвів до покращення механічних властивостей (σB = 276–282 МПа, δ = 5,2–5,8 %) порівняно зі стандартним режимом T6. Наукова новизна. Вперше проведено комплексне дослідження впливу параметрів термічної обробки на структуру та властивості нового сплаву Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn (мас.%) з підвищеним вмістом легуючих елементів. Встановлено нові залежності, що описують вплив температури гартування на розмір зерна сплаву. Практична цінність. Розроблено новий режим термічної обробки біодеградуючого магнієвого сплаву, який забезпечує повне розчинення псевдоевтектичної фази та формування зміцнюючих фаз, що призводить до покращення механічних властивостей порівняно зі стандартним сплавом Mg-2,5Nd-0,4Zn-0,5Zr (мас. %) та стандартним режимом T6.