Mg-Sn-Ce三元系的相圖研究綜述

王 平 韋忠濤 賀翠云通訊作者

廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院 廣西 南寧530004

鎂是地球上含量排第四位的金屬元素,它的密度為1.74g/c m3,比鋼輕75%,比鋁輕33%,是目前應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,它的比強(qiáng)度和比鋼度高,擁有良好的阻尼性和導(dǎo)熱性、它的電磁屏蔽能力強(qiáng),另外它還具有良好的切削加工性和鑄造性能,以及容易回收等一系列優(yōu)點(diǎn)。在汽車(chē)工業(yè)、通信電子工業(yè)和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),隨著對(duì)節(jié)能環(huán)保的日益重視,汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施,被視為最具發(fā)展前景的汽車(chē)輕量化材料-鎂合金,成為當(dāng)下材料研究的熱點(diǎn)。但是與鋁合金相比,鎂合金的研究和發(fā)展還很不充分,其實(shí)際應(yīng)用還非常有限。目前鎂合金的年產(chǎn)量只有鋁合金年產(chǎn)量的1%。限制鎂合金廣泛應(yīng)用的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面:1)鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑,非常易燃,導(dǎo)致鎂合金的熔煉加工困難;2)由于鎂是密排六方結(jié)構(gòu)(HCP),滑移系少,使得鎂合金塑性成形能力和加工性能差;3)鎂合金強(qiáng)度低,溫度升高時(shí),其強(qiáng)度和抗蠕變性明顯下降,限制了鎂合金在高溫(150～350℃)場(chǎng)合的應(yīng)用,使其無(wú)法用于制造對(duì)高溫蠕變性能要求較高的汽車(chē)傳動(dòng)部件;4)耐腐蝕性差。因此,人們正從合金化和微合金化、熔體處理、晶粒細(xì)化、熱處理和加工工藝優(yōu)化等方面對(duì)鎂合金展開(kāi)深入的研究,以期解決鎂合金目前存在的問(wèn)題。

1 Mg-Sn 二元系

圖1 -1 Nayeb-Hashemi和Clark[1]評(píng)估的Mg-Sn 二元實(shí)驗(yàn)相圖

Ghosh[2]等充分考慮文獻(xiàn)中所報(bào)告的實(shí)驗(yàn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)以及液相有強(qiáng)的短程有序性,他們對(duì)液相采用修正的準(zhǔn)化學(xué)模型(MOM)而非傳統(tǒng)的溶液模型進(jìn)行描述,最終通過(guò)相圖熱力學(xué)優(yōu)化模擬得到了如圖1-2所示的Mg-Sn二元系的計(jì)算相圖。

2 Mg-Ce 二元系

圖1 -2 Ghosh[2]等優(yōu)化計(jì)算的Mg-Sn二元相圖

圖2 -1 Nayeb-Hashemi和Clar k[3]評(píng)估的Mg-Ce二元實(shí)驗(yàn)相圖

3 Ce-Sn相圖及其各物相

二元系包括的二元化合物:Ce3Sn(AuCu3型,有序),Ce3Sn(立方,無(wú)序),α-Ce5Sn3(W5Si3型,低溫型),β-Ce5Sn3(Mn5Si3型,高溫型),Ce5Sn4(Sm5Ge4型),Ce11Sn10(Ho11Ge10型),Ce2Sn3(三斜),Ce3Sn5(Pu3Pd5型),Ce3Sn7(正交),Ce2Sn5(正交),CeSn3(Au Cu3型)。

圖2 -2 Kang[7]等人優(yōu)化計(jì)算的Mg-Ce二元系相圖

圖3 -1 Riani[10]等評(píng)估的Sn-Ce二元實(shí)驗(yàn)相圖

Sn-Ce二元系的熱力學(xué)優(yōu)化相圖是Ki m[11]等人完成的,如圖3-2所示。

4 Mg-Sn-Ce 相圖及其各物相

目前尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)Mg-Sn-Ce三元相圖的報(bào)道。但在該體系目前已經(jīng)報(bào)道存在三個(gè)三元化合物。2011年,Ritter[12]在研究RMgSn(R=Ce,Pr,Nd,Tb)化合物的磁性結(jié)構(gòu)中報(bào)道了Mg:Sn:Ce=1:1:1,即MgSn Ce的三元化合物,其結(jié)構(gòu)為T(mén)i NiSi型。2016年,Wrubl[13]等報(bào)道了三元化合物Mg23Sn Ce6。2017年,Solokha[14]在感應(yīng)爐中合成了三元化合物MgSn2Ce。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Mg、Sn、Ce各組分二元相圖及Mg-Sn-Ce三元相圖最新研究的討論,歸納總結(jié)了Mg-Sn-Ce二元相及三元相的研究成果,以及對(duì)各相的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分討論,這些結(jié)論對(duì)進(jìn)一步研究和優(yōu)化Mg-Sn-Ce三元相圖以及相關(guān)化合物的生產(chǎn)工藝能夠提供有價(jià)值的參考。

圖3 -2 Kim[11]優(yōu)化計(jì)算的Sn-Ce二元相圖