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

廣西大學資源環境與材料學院 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%,是目前應用中最輕的金屬結構材料,它的比強度和比鋼度高,擁有良好的阻尼性和導熱性、它的電磁屏蔽能力強,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點。在汽車工業、通信電子工業和航空航天工業等領域得到日益廣泛的應用。近年來,隨著對節能環保的日益重視,汽車輕量化是實現節能減排的重要措施,被視為最具發展前景的汽車輕量化材料-鎂合金,成為當下材料研究的熱點。但是與鋁合金相比,鎂合金的研究和發展還很不充分,其實際應用還非常有限。目前鎂合金的年產量只有鋁合金年產量的1%。限制鎂合金廣泛應用的問題主要有以下幾個方面:1)鎂合金化學性質活潑,非常易燃,導致鎂合金的熔煉加工困難;2)由于鎂是密排六方結構(HCP),滑移系少,使得鎂合金塑性成形能力和加工性能差;3)鎂合金強度低,溫度升高時,其強度和抗蠕變性明顯下降,限制了鎂合金在高溫(150～350℃)場合的應用,使其無法用于制造對高溫蠕變性能要求較高的汽車傳動部件;4)耐腐蝕性差。因此,人們正從合金化和微合金化、熔體處理、晶粒細化、熱處理和加工工藝優化等方面對鎂合金展開深入的研究,以期解決鎂合金目前存在的問題。

1 Mg-Sn 二元系

圖1 -1 Nayeb-Hashemi和Clark[1]評估的Mg-Sn 二元實驗相圖

Ghosh[2]等充分考慮文獻中所報告的實驗熱力學數據以及液相有強的短程有序性,他們對液相采用修正的準化學模型(MOM)而非傳統的溶液模型進行描述,最終通過相圖熱力學優化模擬得到了如圖1-2所示的Mg-Sn二元系的計算相圖。

2 Mg-Ce 二元系

圖1 -2 Ghosh[2]等優化計算的Mg-Sn二元相圖

圖2 -1 Nayeb-Hashemi和Clar k[3]評估的Mg-Ce二元實驗相圖

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]等人優化計算的Mg-Ce二元系相圖

圖3 -1 Riani[10]等評估的Sn-Ce二元實驗相圖

Sn-Ce二元系的熱力學優化相圖是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

目前尚未發現有關Mg-Sn-Ce三元相圖的報道。但在該體系目前已經報道存在三個三元化合物。2011年,Ritter[12]在研究RMgSn(R=Ce,Pr,Nd,Tb)化合物的磁性結構中報道了Mg:Sn:Ce=1:1:1,即MgSn Ce的三元化合物,其結構為Ti NiSi型。2016年,Wrubl[13]等報道了三元化合物Mg23Sn Ce6。2017年,Solokha[14]在感應爐中合成了三元化合物MgSn2Ce。

5 結語

通過對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,歸納總結了Mg-Sn-Ce二元相及三元相的研究成果,以及對各相的組成結構進行了充分討論,這些結論對進一步研究和優化Mg-Sn-Ce三元相圖以及相關化合物的生產工藝能夠提供有價值的參考。

圖3 -2 Kim[11]優化計算的Sn-Ce二元相圖