Thermal stability of extruded Mg-Y-Nd alloy structure

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Today, bioresorbable magnesium alloys possessing the required physical, mechanical, corrosion, and biological properties, are promising materials for orthopedic and cardiovascular surgery. The addition of rare earth elements such as yttrium, neodymium, and cerium to magnesium alloys improves its properties. Compared to widely used titanium alloys, magnesium alloys have a number of advantages. Bioresorbable materials slowly dissolve in the body, and recurrent operation to remove the implant is not needed. Biocompatible magnesium alloys have a fairly low elastic modulus (10 to 40 GPa), approaching to that of cortical bone, that reduces the contact stress in the bone-implant system. At the same time, strength properties of magnesium alloys alloyed with rare earth elements do not always meet the requirements for medical applications. Severe plastic deformation, for example, equal channel angular pressing, torsion under quasi-hydrostatic pressure, uniaxial forging, extrusion, is therefore very promising technique to gain the high level of mechanical properties of metals and alloys. Severe plastic deformation of magnesium alloys improves its structural strength by 2.5 times due to the generation of an ultrafine-grained and/or fine-grained structure. The issues related to the study of heat resistance, structure and phase composition of magnesium alloys with appropriate strength are relevant. Purpose of the work is to determine the influence of thermal effects on the microstructure of the extruded Mg-Y-Nd alloy. Methodology. The extruded Mg-2.9Y-1.3Nd alloy (95.0 wt. % Mg, 2.9 wt. % Y, 1.3 wt. % Nd, £ 0.2 wt. % Fe, £ 0 wt. % Al) is investigated in this paper. The thermal stability of the alloy microstructure is studied after annealing at 100, 300, 350, 450 and 525 °С in argon for one hour. The microstructure and phase composition are investigated using optical, transmission and scanning electron microscopes and analyzed on an X-ray diffractometer. Results and discussion. The extruded Mg-2.9Y-1.3Nd alloy has the bimodal fine-grained microstructure. It is found that along with the stable α-Mg phase, the alloy structure consists of Mg24Y5 intermetallic particles and b-, b¢-, and b1-phase precipitates. Annealing in the temperature range of 100–450 °С for one hour has no effect on the structure of the Mg-2.9Y-1.3Nd alloy, but promotes the growth in the linear dimensions of b-, b¢-, and b1-phases precipitates. In the temperature range of 300–450 °С, the morphology of b-, b¢,- and b1-phases changes, while the average grain size of the major a-phase remains unchanged. Annealing at 525 °С leads to a notable transformation of the bimodal microstructure of the alloy, which is associated with the intensive growth in the grain size of the a-phase, Mg24Y5 particles, and b-, b¢-, and b1-phases precipitates. Annealing in the temperature range of 100–450 °C leads to an increase in the linear dimensions of Mg24Y5 particles, b-, b¢-, and b1-phases precipitates and bimodal microstructure of the Mg-2.9Y-1.3Nd alloy remains unchanged.

About the authors

A. Yu. Eroshenko

Email: eroshenko@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-8812-9287
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eroshenko@ispms.ru

E. V. Legostaeva

Email: lego@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0003-3684-9930
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, lego@ispms.ru

I. A. Glukhov

Email: gia@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-5557-5950
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, gia@ispms.ru

P. V. Uvarkin

Email: uvarkin@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0003-1169-3765
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, uvarkin@ispms.ru

A. I. Tolmachev

Email: tolmach@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0003-4669-8478
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tolmach@ispms.ru

Y. P. Sharkeev

Email: sharkeev@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-5037-245X
D.Sc. (Physics and Mathematics), 1. Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; 2. National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, sharkeev@ispms.ru

References

  1. Biomedical titanium alloys with Young’;s moduli close to that of cortical bone / M. Niinomi, Y. Liu, M. Nakai, H. Lui, H. Li // Regenerative Biomaterials. - 2016. - Vol. 3. - P. 173-185. - doi: 10.1093/rb/rbw016.
  2. Magnesium based implants for functional bone tissue regeneration – A review / G. Uppal, A. Thakur, A. Chauhan, S. Bala // Journal of Magnesium and Alloys. – 2022. - Vol. 10 (2). - P. 356–386. - doi: 10.1016/j.jma.2021.08.017.
  3. Current status on clinical applications of magnesium-based orthopaedic implants: A review from clinical translational perspective / D. Zhao, F. Witte, F. Lu, J. Wang, J. Li, L. Qin // Biomaterials. - 2016. - Vol. 112. - P. 287–302. - doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.10.017.
  4. Bioabsorbable magnesium versus standard titanium compression screws for fixation of distal metatarsal osteotomies – 3 year results of a randomized clinical trial / C. Plaass, C. Von Falck, S. Ettinger, L. Sonnow, F. Calderone, A. Weizbauer, J. Reifenrath, L. Claassen, H. Waizy, K. Daniilidis, C. Stukenborg-Colsman, H. Windhagen // Journal of Orthopaedic Science. – 2018. - Vol. 23 (2). - P. 321-327. - doi: 10.1016/j.jos.2017.11.005.
  5. Magnesium biomaterials for orthopedic application: A review from a biological perspective / J. Walker, S. Shadanbaz, T. Woodfield, M. Staiger, G. Dias // Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials. - 2014. - Vol. 102 (6). - P. 1316-1331. - doi: 10.1002/jbm.b.33113.
  6. Degradable biomaterials based on magnesium corrosion / F. Witte, N. Hort, C. Vogt, S. Cohen, K. Kainer, R. Willumeit, F. Feyerabend // Current Opinion in Solid State and Materials Science. – 2008. - Vol. 12 (5–6). - P. 63-72. - doi: 10.1016/j.cossms.2009.04.001.
  7. Zheng Y., Gu X., Witte F. Biodegradable metals // Materials Science and Engineering: Reports. - 2014. - Vol. 77. - P. 1–34. - doi: 10.1016/j.mser.2014.01.001.
  8. Sun H.F., Li C.J., Fang W.B. Evolution of microstructure and mechanical properties of Mg–3.0Zn–0.2Ca–0.5Y alloy by extrusion at various temperatures // Journal of Materials Processing Technology. - 2016. - Vol. 229. - P. 633–640. - doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.10.021.
  9. Research progress of biodegradable magnesium-based biomedical materials: A review / J. Wang, J. Dou, Z. Wang, C. Hu, H. Yu, C. Chen // Journal of Alloys and Compounds. - 2022. - Vol. 923. - P. 66377. - doi: 10.1016/j.jallcom.2022.166377.
  10. Effect of multiaxial forging on microstructure and mechanical properties of Mg-0.8Ca alloy / N.Yu. Yurchenko, N.D. Stepanov, G.A. Salishchev, L.L. Rokhlin, S.V. Dobatkin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2014. - Vol. 63. - P. 1-7. - doi: 10.1088/1757-899X/63/1/012075.
  11. Effect of deformation processing of the dilute Mg-1Zn-0.2Ca alloy on the mechanical properties and corrosion rate in a simulated body fluid / D.L. Merson, A.I. Brilevsky, P.N. Myagkikh, M.V. Markushev, A. Vinogradov // Letters on Materials. - 2020. - Vol. 10 (2). - P. 217–222. - doi: 10.22226/2410-3535-2020-2-217-222.
  12. Super-formable pure magnesium at room temperature / Z. Zeng, J. Nie, S. Xu, C. Davies, N. Birbilis // Nature Communications. - 2017. - Vol. 8. - P. 972. - doi: 10.1038/s41467-017-01330-9.
  13. Effect of rare earth elements on the microstructure and texture development in magnesium-manganese alloys during extrusion / J. Bohlen, S. Yi, D. Letzig, K. Kainer // Materials Science and Engineering: A. - 2010. - Vol. 527. - P. 7092-7098. - doi: 10.1016/j.msea.2010.07.081.
  14. Atwell L., Barnett R. Extrusion limits of magnesium alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2007. - Vol. 38. – P. 3032-3041. - doi: 10.1007/s11661-007-9323-2.
  15. Microstructure and fatigue properties of the ultrafine-grained AM60 magnesium alloy processed by equal-channel angular pressing / O. Kulyasova, R. Islamgaliev, B. Mingler, M. Zehetbauer // Materials Science and Engineering A. - 2009. - Vol. 503 (1–2). - P. 176–180. – doi: 10.1016/j.msea.2008.03.057.
  16. Ben-Hamu G., Eliezer D., Wagner L. The relation between severe plastic deformation microstructure and corrosion behavior of AZ31 magnesium alloy // Journal of Alloys and Compounds. – 2009. – Vol. 468. – P. 222–229. – doi: 10.1016/j.jallcom.2008.01.084.
  17. Kablov E.N. Innovation developments of VIAM on organization of ‘Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period to 2030 year // Aviation Materials and Technologies. – 2015. – Vol. 1 (34). – P. 3–33. – doi: 10.18577/2071–9140-2015-0-1-3-33.
  18. Rokhlin L.L. Magnesium alloys containing rare earth metals: structure and properties. – London: Taylor and Francis Inc., 2003. – 245 p. – ISBN 9780429179228.
  19. Applications of magnesium alloys for aerospace: A review / J. Bai, Y. Yang, C. Wen, J. Chen, G. Zhou, B. Jiang, X. Peng, F. Pan // Journal of Magnesium and Alloys. – 2023. – Vol. 11 (10). – P. 3609–3619. – doi: 10.1016/j.jma.2023.09.015.
  20. Microstructure and microhardness mechanism of selective laser melting Mg-Y-Sm-Zn-Zr alloy / W. Wang, L. He, X. Yang, D. Wang // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 868. – P. 159107. – doi: 10.1016/j.jallcom.2021.159107.
  21. ASTM E1382-97. Standard test methods for determining average grain size using semiautomatic and automatic image analysis. – West Conshohocken, PA: ASTM International, 2016. – 24 p.
  22. Influence of severe plastic deformation by extrusion on microstructure, deformation and thermal behavior under tension of magnesium alloy Mg-2.9Y-1.3Nd / E. Legostaeva, A. Eroshenko, V. Vavilov, V.A. Skripnyak, N. Luginin, A. Chulkov, A. Kozulin, V.V. Skripnyak, J. Schmidt, A. Tolmachev, P. Uvarkin, Y. Sharkeev // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 988. – doi: 10.3390/met13050988.
  23. Nie J., Muddle B. Characterization of strengthening precipitate phases in a Mg–Y–Nd alloy // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48 (8). – P. 1691. – doi: 10.1016/S1359-6454(00)00013-6.
  24. Calado L.M., Carmezim M.J., Montemor M.F. Rare earth based magnesium alloys - A review on WE Series // Frontiers in Materials. – 2022. – Vol. 8. – P. 808906. – doi: 10.3389/fmats.2021.804906.
  25. Magnesium permanent mold castings optimization / F.R. Elsayed, N. Hort, M.A. Salgado-Ordoric, K. Kainer // Materials Science Forum. – 2011. – Vol. 690. – P. 65–68. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.690.65' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.690.65.
  26. Nie J.-F. Precipitation and hardening in magnesium alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2012. - Vol. 43. - P. 3891–3939. – doi: 10.1007/s11661-012-1217-2.
  27. Structure evolution of a WE43 Mg alloy submitted to different thermal treatments / P. Mengucci, G. Barucca, G. Riontino, D. Lussana, M. Massazza, R. Ferragut, E. Hassan Aly // Materials Science and Engineering A. - 2008. - Vol. 47. - P. 37-44. - doi: 10.1016/j.msea.2007.06.016.
  28. Effect of pre-deformation on microstructure and mechanical properties of WE43 magnesium alloy II: Aging at 250 and 300 °C / Y. Kang, Z. Huang, S. Wang, H. Yan, R. Chen, J. Huang // Journal of Magnesium and Alloys. - 2020. - Vol. 8. - P. 103-110. - doi: 10.1016/j.jma.2019.11.012.
  29. WE43 magnesium alloy - material for challenging applications / J. Kubásek, D. Dvorský, M. Cavojský, M. Roudnická, D. Vojtech // Kovove Materialy = Metallic Materials. - 2019. - Vol. 57 (3). - P. 159–165. – doi: 10.4149/km_2019_3_159.
  30. Ladd M., Palmer R. Structure determination by X-ray crystallography: Analysis by X-rays and neutrons. – New York: Springer, 2013. – 784 p. – ISBN 1461439566.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».