Mg_Sn_Y三元系富Mg角500_等溫截面的測(cè)定_圖文

1、第20卷第2期 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào) 2010年2月 V ol.20 No.2 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Feb. 2010文章編號(hào):1004-0609(201002-0177-05Mg-Sn-Y 三元系富Mg 角500 等溫截面的測(cè)定趙宏達(dá),任玉平,裴文利,郭 運(yùn),陳 冬,秦高梧(東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 110004摘 要:采用合金法,利用XRD 、SEM-EDS 測(cè)定一系列Mg-Sn-Y 三元合金在500 下富Mg 角處相平衡關(guān)系及各相平衡成分,建立Mg-Sn-Y 三元系在500 下富Mg 角處的等溫截面相圖。

2、結(jié)果表明:Mg-Sn-Y 三元系富Mg 角處存在Mg 2Sn 、MgSnY 、Sn 3Y 5和Mg 24+x Y 5 4種化合物與-Mg 固溶體平衡,從而構(gòu)建3個(gè)三相區(qū)和4個(gè)兩相區(qū);Sn 在-Mg 基體中的固溶度為2.5%3.9%(摩爾分?jǐn)?shù),Y 在-Mg 基體中的固溶度為1.1%,但二者不能同時(shí)固溶到-Mg 基體中,同時(shí)Sn 3Y 5相中大約可以固溶3.6%4.1%的金屬M(fèi)g ;由于MgSnY 和Sn 3Y 5等一些高熔點(diǎn)化合物在高溫下能夠穩(wěn)定存在,使得Mg-Sn-Y 體系有可能成為一種潛在的新型耐熱鎂合金。 關(guān)鍵詞:Mg-Sn-Y 三元系;相平衡;等溫截面;固溶度 中圖分類號(hào):TG 113.

3、14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADetermination of isothermal section of Mg-riched corner inMg-Sn-Y ternary system at 500 ZHAO Hong-da, REN Yu-ping, PEI Wen-li, GUO Yun, CHEN Dong, QIN Gao-wu(Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Ministry of Education,Northeastern University, Shenyang 110004, ChinaAbstrac

4、t: By equilibrated alloy method the phase equilibria relation and phase equilibria composition of the Mg-riched corner in the Mg-Sn-Y ternary system at 500 were determined by XRD and SEM-EDS, thus the isothermal section of this ternary system was constructed. The results show that four intermetallic

5、 compounds exist in equilibrium with the -Mg solid solution, i.e. Mg 2Sn, MgSnY, Sn 3Y 5 and Mg 24+x Y 5. Therefore, three three-phase regions and four two-phase regions are constructed. The solubility of Sn and Y in the -Mg solid solution are 2.5%3.9% and 1.1% (mole fraction, respectively, but they

6、 can not be simultaneously soluted in -Mg solid solution. In addition, about 3.6%4.1% Mg is detected in the Sn 3Y 5 phase. Due to high thermal stability of the compounds such as MgSnY and Sn 3Y 5, it is thus expected that the Mg-Sn-Y-based alloy could be a promising creep resistant alloy by appropri

7、ate alloy design and processing.Key words: Mg-Sn-Y ternary system; phase equilibrium; isothermal section; solubility作為廣泛應(yīng)用的AZ 和AM 系鎂合金,由于其高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能較差,成為限制其應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等耐高溫零部件的瓶頸14。目前Mg-Sn 基做為新型的抗蠕變耐熱鎂合金而受到廣泛關(guān)注58。LIU 等5對(duì)Mg-Sn 二元合金耐熱性能的研究結(jié)果表明,由于存在高熔點(diǎn)熱穩(wěn)定相Mg 2Sn(熔點(diǎn)770.5 ,在150 時(shí)Mg-7% Sn 合金具有與AE42合金相當(dāng)?shù)目谷渥兡芰?

8、。在Mg-5% Sn 合金的基礎(chǔ)上添加2% Di 后,由于在合金中形成具有更高熱穩(wěn)定性的Sn-Di 二元金屬間化合物,使得該合金的抗蠕變性能優(yōu)于AE42合金的910。Mg-Sn-Zn-Y 四元合金的研究結(jié)果表明,合金中存在MgSnY 、Mg 2Sn 和MgZn 等金屬間化合物,使得其綜合基金項(xiàng)目:國(guó)家“十一五”重點(diǎn)科技資助項(xiàng)目(2006BAE04B09-7;國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50731002;遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2008S089收稿日期:2009-03-31;修訂日期:2009-05-26通信作者:秦高梧,教授,博士;Tel: 024-*;E-mail: qingw中國(guó)

9、有色金屬學(xué)報(bào) 2010年2月178性能得到顯著改善11。LIM等1213研究表明:在Mg-MM(misch-metal合金中加入適量的Sn,形成Mg3RE1Sn1粒子,取代原二元合金中的Mg12MM相,提高了該合金的延展性。這意味著添加少量的稀土(RE元素能夠大幅度地提高M(jìn)g-Sn基鎂合金的綜合力學(xué)性能。然而,作為合金化改性的基礎(chǔ),有關(guān)Mg-Sn-RE系相圖的研究鮮有報(bào)道,從而限制了新型耐熱鎂合金的研制。由于Y是鎂合金中重要的常用添加RE類元素,因此本研究采用合金法對(duì)Mg-Sn-Y三元系富Mg角500等溫截面進(jìn)行研究,為優(yōu)化Mg-Sn-Y基新型鎂合金的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。1實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)制備合金的原料采

10、用純Mg99.99%,純Sn99.99%以及Mg-50% Y中間合金。實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的合金成分如表1所列。采用石墨坩堝,在有高純氬氣保護(hù)氣氛的中頻感應(yīng)爐中熔制。然后在(500±2 下平衡處理120 h后水淬。所有試樣經(jīng)過機(jī)械研磨,拋光后不經(jīng)過化學(xué)侵蝕,采用HITACHI S3400N型掃描電鏡進(jìn)行組織以及能譜成分分析。平衡處理后合金的相結(jié)構(gòu)在PANALYTICAL B.V PW3040/60 X射線衍射儀上進(jìn)行,采用Cu 靶,加速電壓40 kV,電流40 mA,掃描速度4(/min。表1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合金的名義成分Table 1 Nominal compositions of designed

11、 Mg-Sn-Y alloys (mole fraction, %Alloy x(Mg/%x(Sn/% x(Y/% Mg80Sn15Y5 80 15 5 Mg60Sn25Y1560 25 15 Mg70Sn20Y1070 20 10 Mg85Sn5Y10 85 5 10 Mg80Sn5Y15 80 5 152結(jié)果與討論圖1所示為Mg80Sn15Y5、Mg60Sn25Y15和Mg70Sn20Y10合金在500 平衡處理后的顯微組織,都是由暗、亮和灰3個(gè)相組成。能譜成分分析結(jié)果如表2所列,結(jié)合3個(gè)合金在500 平衡處理后的XRD分析結(jié)果(見圖2,確定暗相是-Mg固溶體,亮相為Mg2Sn,灰色相中M

12、g、Sn、Y3種元素的摩爾比接近 圖1在500 平衡處理120 h后Mg80Sn15Y5合金(a、Mg60Sn25Y15合金(b和Mg70Sn20Y10合金(c的微觀組織Fig.1 Microstructures of different alloys after heat-treatment at 500 for 120 h: (a Mg80Sn15Y5; (b Mg60Sn25Y15;(c Mg70Sn20Y10 圖2在500 平衡處理120 h后Mg80Sn15Y5、Mg60Sn25Y15和 Mg70Sn20Y10合金的XRD譜Fig.2 XRD patterns of Mg80Sn15

13、Y5, Mg60Sn25Y15 and Mg70Sn20Y10 alloy after heat-treatment at 500 for 120 h第20卷第2期 趙宏達(dá),等:500 時(shí)Mg-Sn-Y 三元系富Mg 角等溫截面的測(cè)定 179 111,根據(jù)GRONY 11和RASHKOV A 等14的研究結(jié)果,確定該相為MgSnY 相。因此,Mg-Sn-Y 三元系在500 富Mg 角處存在-Mg 、Mg 2Sn 和MgSnY 三相平衡區(qū)。該溫度下的三相平衡成分如表2所列。表 2 Mg-Sn-Y 三元系在500 下平衡相的組成以及各相成分Table 2 Equilibrium phase con

14、stituents and compositions in Mg-Sn-Y ternary system at 500 Equilibrium phase composition/% Alloy Equilibrium phaseconstiuentx (Mgx (Snx (YMg 80Sn 15Y 5-Mg 97.4 2.6 0 Mg 2Sn 66.0 34.0 0 MgSnY 31.6 32.8 35.6Mg 60Sn 25Y 15-Mg 97.4 2.6 0 Mg 2Sn 65.6 34.4 0 MgSnY 32.6 33.4 34.0 Mg 70Sn 20Y 10-Mg 97.5 2.

15、5 0 Mg 2Sn 65.7 34.3 0 MgSnY 32.7 31.5 35.8 Mg 85Sn 5Y 10 -Mg 98.9 0 1.1 Sn 3Y 5 3.6 35.1 61.3 Mg 80Sn 5Y 15-Mg 96.1 0 3.9Sn 3Y 5 4.1 34.9 61.0Mg 24+x Y 85.6 0 14.4圖3所示為在500 平衡處理120 h 后Mg 85Sn 5Y 10合金的顯微組織。由圖3可知,該組織由暗和亮兩相組成,結(jié)合XRD 分析(見圖4結(jié)果及其EDS 分析結(jié)果(見表2, 確定暗相是-Mg 固溶體,亮 圖3 在500 平衡處理120 h 后Mg 85Sn 5Y 1

16、0合金的SEM 像Fig.3 SEM image of Mg 85Sn 5Y 10 alloy after heat-treatment at 500 for 120 h圖4 在500 平衡處理120 h 后Mg 85Sn 5Y 10合金的XRD譜Fig.4 XRD pattern of Mg 85Sn 5Y 10 alloy after heat-treatment at 500 for 120 h相是Sn 3Y 5。因此,Mg-Sn-Y 三元系在500 富Mg 角處存在-Mg/ Sn 3Y 5二相平衡區(qū)。同時(shí)測(cè)得Mg 在Sn 3Y 5中的固溶度。圖5所示為在500 平衡處理120 h 后M

17、g 80Sn 5Y 15合金的顯微組織。由圖5可以看出,該組織由暗、亮和灰三相組成。結(jié)合XRD 分析(見圖6以及EDS 分析結(jié)果(見表2可以確定暗相是-Mg 固溶體,亮相是Sn 3Y 5,灰相是Mg 24+x Y 5。所以,Mg-Sn-Y 三元系在500 富Mg 角處存在-Mg 、Mg 2Sn 和MgSnY 三相平衡區(qū)。在500 時(shí)Mg 80Sn 5Y 15合金中Y 在-Mg 中的固溶度為 3.9%(摩爾分?jǐn)?shù),該值大于Mg-Y 二元系在500 時(shí)Y 在Mg 中的最大固溶度(2.9%,而Mg 在Sn 3Y 5相中的固溶度(4.1%大于上述提到的Mg 85Sn 5Y 10合金中-Mg/Sn 3Y

18、5兩相平衡時(shí)的圖5 在500 平衡處理120 h 后Mg 80Sn 5Y 15合金的SEM 像Fig.5 SEM image of Mg 80Sn 5Y 15 alloy after heat-treatment at 500 for 120 h中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào) 2010年2月180 圖6在500 處理120 h后Mg80Sn5Y15合金平衡組織的XRD譜Fig.6XRD patterns of Mg80Sn5Y15 alloy after heat-treatment at 500 for 120 h 圖7 在500 下Mg-Sn-Y三元系富鎂角的等溫截面Fig.7 Isothermal s

19、ection of Mg-riched corner in Mg-Sn-Y ternary system at 500 (Dot lines denote estimated results and stars mean alloys used for equilibrium heat treatment固溶度(3.6%?；谏鲜龊辖鹪谄胶馓幚砗蟮臋z測(cè)結(jié)果,構(gòu)建Mg-Sn-Y三元系500 下富Mg角處的等溫截面圖,如圖7所示。由圖7可以看出,合金中存在三元化合物MgSnY與-Mg固溶體相平衡。除了二元化合物Mg2Sn和Mg24+x Y5與-Mg固溶體相平衡,還存在著Sn-Y二元系的化合物Sn3

20、Y5與-Mg固溶體相平衡。Mg元素可以固溶在化合物Sn3Y5中,但是Y元素不會(huì)固溶在 Mg2Sn中,Sn元素也不會(huì)固溶于Mg24+x Y5中。KANG等15報(bào)道在Mg-8Sn-3Al-1Si合金中,基體以及沿晶界處存在著熱穩(wěn)定性高的Mg2Sn(770.5 相,同時(shí)含有少量熔點(diǎn)更高的熱穩(wěn)定相Mg2Si(1 085 ,該合金在150 、50 MPa的環(huán)境下其蠕變率僅為相同條件下AZ91合金蠕變率的十分之一。LEE等16研究表明,在Mg-5Al-2Si合金中添加適量的Sn,形成細(xì)小的Mg2Sn粒子,可以提高該合金室溫和高溫(150 下的屈服強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度,當(dāng)Sn的含量增加至6%,該合金的蠕變率為

21、3.22×105s1,低于Mg-5Al-2Si合金的8.97×105s1,進(jìn)一步的研究表明1719,形成的金屬間化合物熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性強(qiáng),而且具有固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化的效果,從而對(duì)提高鎂合金的抗蠕變性能有良好的作用。LIU等10研究表明,在Mg-5% Sn合金中加入2% Di,合金中存在熱穩(wěn)定相Mg2Sn的同時(shí),還存在熔點(diǎn)更高、熱穩(wěn)定性更強(qiáng)的羽毛狀Sn-Di(1 600 相,從而進(jìn)一步提高了該合金的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。綜合以上分析結(jié)果可知,提高鎂合金耐熱性能的主要途徑是通過微合金化,一方面在晶界上形成熱穩(wěn)定性高的強(qiáng)化相,釘扎晶界抑制晶界滑移,另一方面在基體上析出彌散強(qiáng)化相,

22、形成固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化效應(yīng),從而改善鎂合金的力學(xué)性能,所以強(qiáng)化相的熱穩(wěn)定性對(duì)耐熱鎂合金的抗蠕變性能有決定性的影響。對(duì)于Mg-Sn二元合金,在-Mg 基體以及晶界上存在彌散分布的Mg2Sn相,可以明顯改善合金的抗蠕變性能和抗拉強(qiáng)度20,在此基礎(chǔ)上添加Y元素,通過對(duì)Mg-Sn-Y三元系500 下富Mg 角處的等溫截面圖研究可知,該合金中存在的MgSnY 相與-Mg基體平衡,且其熱穩(wěn)定性比Mg2Sn相的熱穩(wěn)定性高11,該相對(duì)阻止亞晶界的滑移非常有效,同時(shí)該合金體系中還存在與-Mg基體平衡且熔點(diǎn)更高的Sn3Y5(1 940 相,因而Mg2Sn,MgSnY和Sn3Y5 相均可做為Mg-Sn-Y以及Mg-

23、Sn-Y-合金體系中重要的強(qiáng)化相。另有研究證實(shí)12,在Mg-MM合金中添加適量的Sn形成棒狀的Mg3RE1Sn1相,使得Mg-MM-Sn 合金在具有一定強(qiáng)度的同時(shí),其延展性得到了提高。基于本文作者測(cè)定的Mg-Sn-Y系相圖信息,通過合金設(shè)計(jì)和制備工藝控制,調(diào)整析出相的形態(tài)和分布,以期獲得具有較高高溫強(qiáng)度和延展性、低蠕變速率的Mg-Sn-Y系新型耐熱鎂合金,目前該體系的合金設(shè)計(jì)以及性能研究工作正在進(jìn)行中。3結(jié)論1 由合金法建立了Mg-Sn-Y三元系500 下富第20卷第2期趙宏達(dá),等:500 時(shí)Mg-Sn-Y三元系富Mg角等溫截面的測(cè)定181Mg角處等溫截面相圖。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在該三元合金體系中存在

24、3個(gè)三相區(qū)(-Mg+Mg2Sn+MgSnY,-Mg+ Sn3Y5+MgSnY和-Mg+Sn3Y5+-Mg24+x Y5和4個(gè)兩相區(qū)(-Mg+Sn3Y5,-Mg+Mg2Sn,-Mg+MgSnY和-Mg+-Mg24+x Y5。2 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在該等溫截面存在一個(gè)三元化合物MgSnY(摩爾比為111。3 在500時(shí)Sn在-Mg中的固溶度為2.5%3.9%,Y在-Mg中的固溶度為1.1%;Sn和Y 不能同時(shí)固溶于-Mg中,在Sn3Y5相中大約可以固溶3.6%4.1%的金屬M(fèi)g。REFERENCES1 KIM N J. Design of high performance structural alloy

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