Comportamiento de solubilidad del itrio en aleaciones Mg-Y y ruta de procesamiento recomendada

Las aleaciones de magnesio-itrio (Mg-Y ) han ganado cada vez más atención en aplicaciones estructurales ligeras debido a su excelente relación resistencia-peso y estabilidad térmica. En particular, Mg-1 at.% Y es una composición representativa para estudiar la solubilidad del itrio y su influencia en el rendimiento de la aleación. Este artículo describe el comportamiento de la solubilidad del Y en Mg, los parámetros clave de procesamiento y una ruta práctica para producir una solución sólida de Mg-Y de alta calidad y totalmente disuelta.

1. Composición de la aleación y objetivos de solubilidad

La aleación base analizada aquí es Mg-1 at.% Y, producida utilizando ≥99,99% de magnesio de alta pureza. El itrio, un elemento de tierras raras con solubilidad limitada a temperatura ambiente, puede disolverse significativamente en la matriz α-Mg a temperaturas elevadas. Lograr una solubilidad completa es fundamental, no sólo para el rendimiento mecánico, sino también para suprimir la formación de compuestos intermetálicos como Mg₂₄Y₅ o Mg₄₂Y₅, que tienden a fragilizar la aleación.

El objetivo es producir una solución sólida uniforme en la que el Y se incorpore completamente a la matriz α-Mg. Esto mejora la resistencia a la corrosión, la estabilidad térmica y la resistencia, al tiempo que evita precipitados no deseados que podrían formarse durante el procesamiento o el servicio.

2. Mecanismo de solubilidad del itrio en el magnesio

Elitrio se disuelve en el magnesio siguiendo un comportamiento de solubilidad sustitutiva estándar. A altas temperaturas (por encima de 500 °C), los átomos de Y pueden ocupar efectivamente posiciones dentro de la matriz de Mg. Sin embargo, debido al estrecho rango de solubilidad sólida del Y en el Mg a temperaturas más bajas, es esencial un control preciso de la historia térmica.

Desde un punto de vista termodinámico, la temperatura es la principal fuerza impulsora de la disolución, mientras que el tiempo y la atmósfera son factores de apoyo. Mantener la aleación a una temperatura suficientemente alta permite que la difusión se produzca de manera uniforme. La fase de enfriamiento debe gestionarse con cuidado para evitar la precipitación de fases secundarias ricas en Y. Además, la aleación debe ser inerte o semi-inerte. Además, se requieren gases protectores inertes o semi-inertes para evitar la oxidación del Y durante la fusión y el tratamiento térmico, asegurando la estabilidad química.

3. Ruta de procesamiento recomendada

Para disolver completamente el Y en magnesio, se recomienda la siguiente ruta de producción:

Fusión y aleación

La aleación debe prepararse mezclando Mg de gran pureza con una aleación maestra de Mg-25 % en peso de Y. La fusión debe realizarse en un horno de inducción. La fusión debe realizarse en un horno de inducción a aproximadamente 760 °C, bajo una atmósfera protectora de 99% de CO₂ y 1% de SF₆. Esta mezcla de gases protege eficazmente la masa fundida del oxígeno, evitando la oxidación del elemento de tierras raras. El molde debe precalentarse a 200-300 °C, lo que mejora el flujo del metal y reduce los gradientes térmicos durante la colada.

Colado y enfriamiento

Una vez fundida y homogeneizada, la aleación se vierte en el molde bajo protección continua de gas. La velocidad de enfriamiento debe controlarse cuidadosamente: si es demasiado rápida, la aleación puede sufrir tensiones térmicas; si es demasiado lenta, pueden formarse fases intermetálicas no deseadas. Un perfil de enfriamiento moderado garantiza tanto la estabilidad de las fases como el refinamiento del grano.

Tratamiento en solución y enfriamiento rápido

Tras la colada, la aleación se somete a un tratamiento térmico de disolución a 525 °C durante 15 horas. Esto permite que cualquier partícula rica en Y restante se disuelva completamente en la matriz de Mg. De nuevo, una atmósfera protectora es esencial para mantener la calidad de la superficie y la limpieza interna. A continuación, la aleación tratada térmicamente se templa en agua caliente (~70 °C) para suprimir la precipitación de fases secundarias durante el enfriamiento.

4. Flexibilidad operativa y notas prácticas

Aunque los parámetros descritos anteriormente son los recomendados, pueden ajustarse en función de las limitaciones del equipo o de la escala de producción. Los operadores deben dar prioridad a la distribución uniforme de la temperatura, el control estricto de la atmósfera y la sincronización precisa durante cada etapa. Problemas comunes como las fugas de gas, el sobrecalentamiento local o el enfriamiento retardado pueden provocar la formación de inclusiones o la precipitación de intermetálicos, que comprometen la calidad de la aleación.

También debe prestarse atención al diseño del molde y a las prácticas de agitación de la masa fundida. Minimizar las turbulencias durante el vertido y utilizar crisoles de paredes lisas ayuda a mantener la homogeneidad química del producto final.

Referencias

Varios estudios revisados por expertos y documentos técnicos respaldan el proceso descrito y el mecanismo de solubilidad:

1. Effects of Y Additions on the Microstructures and Mechanical Behaviours of as-Cast Mg-xY-0.5Zr Alloys, Advanced Engineering Materials, 2022.

2. Microhardness and In Vitro Corrosion of Heat-Treated Mg-Y-Ag Biodegradable Alloy, PMC, 2017.

3. Effect of Solution Treatment Time on Microstructure Evolution and Properties of Mg-3Y-4Nd-2Al Alloy, Materials (MDPI), 2023.

4. Thermodynamic and Microstructural Evolution in Mg-Y Binary Alloys during Solidification, Wiley Online Library, 2021.