Mg-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)

Mg-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)

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。結(jié)果表明：Mg-Sn-Y三元系富Mg角處存在Mg2Sn、MgSnY、Sn3Y5和Mg24+xY54種化合物與α-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α-Mg基體中的固溶度為2.5%~3.9%(摩爾分?jǐn)?shù))，Y在α-Mg基體中的固溶度為1.1%，但二者不能同時(shí)固溶到α-Mg基體中，同時(shí)Sn3Y5相中大約可以固溶3.6%~4.1%的金屬M(fèi)g；由于MgSnY和Sn3Y5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。

Mg-Sn-Y三元系；相平衡；等溫截面；固溶度

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[1-4]。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[5-8]。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Mg2Sn(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5]。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[9-10]。Mg-Sn-Zn-Y四元合金的研究結(jié)果表明，合金中存在MgSnY、Mg2Sn和MgZn等金屬間化合物，使得其綜合性能得到顯著改善[11]。LIM等[12-13]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(guò)機(jī)械研磨，拋光后不經(jīng)過(guò)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Table1 Nominal compositions of designed Mg-Sn-Y alloys(mole fraction, %)

2 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 α-Mg固溶體，亮相為Mg2Sn，灰色相中Mg、Sn、Y3種元素的摩爾比接近1∶1∶1，根據(jù) GRONY[11]和 RASHKOVA 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α-Mg、Mg2Sn和MgSnY三相平衡區(qū)。該溫度下的三相平衡成分如表2所列。

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 Mg80Sn15Y5, Mg60Sn25Y15 and Mg70Sn20Y10 alloy after heat-treatment at 500 ℃ for 120 h

表2 Mg-Sn-Y 三元系在500 ℃下平衡相的組成以及各相成分Table2 Equilibrium phase constituents and compositions in Mg-Sn-Y ternary system at 500 ℃

圖 3所示為在 500 ℃平衡處理 120 h后Mg85Sn5Y10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α-Mg固溶體，亮相是Sn3Y5。因此，Mg-Sn-Y三元系在500 ℃富Mg角處存在α-Mg/ Sn3Y5二相平衡區(qū)。同時(shí)測(cè)得Mg在Sn3Y5中的固溶度。

圖3 在500 ℃平衡處理120 h后Mg85Sn5Y10合金的SEM像Fig.3 SEM image of Mg85Sn5Y10 alloy after heat-treatment at 500 ℃for 120 h

圖4 在500 ℃平衡處理120 h后Mg85Sn5Y10合金的XRD譜Fig.4 XRD pattern of Mg85Sn5Y10 alloy after heat-treatment at 500 ℃ for 120 h

圖 5所示為在 500 ℃平衡處理 120 h后Mg80Sn5Y15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 α-Mg固溶體，亮相是Sn3Y5，灰相是Mg24+xY5。所以，Mg-Sn-Y三元系在 500 ℃富 Mg角處存在 α-Mg、Mg2Sn和MgSnY三相平衡區(qū)。在500 ℃時(shí)Mg80Sn5Y15合金中Y在 α-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Sn3Y5相中的固溶度(4.1%)大于上述提到的Mg85Sn5Y10合金中α-Mg/Sn3Y5兩相平衡時(shí)的固溶度(3.6%)。

圖5 在500 ℃平衡處理120 h后Mg80Sn5Y15合金的SEM像Fig.5 SEM image of Mg80Sn5Y15 alloy after heat-treatment at 500 ℃for 120 h

圖6 在500 ℃處理120 h后Mg80Sn5Y15合金平衡組織的XRD譜Fig.6 XRD patterns of Mg80Sn5Y15 alloy after heat-treatment at 500 for 1℃20 h

圖7 在500 ℃下Mg-Sn-Y三元系富鎂角的等溫截面Fig.7 Isothermal section 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)

基于上述合金在平衡處理后的檢測(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 α-Mg固溶體相平衡。除了二元化合物Mg2Sn和Mg24+xY5與α-Mg固溶體相平衡，還存在著Sn-Y二元系的化合物Sn3Y5與α-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+xY5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 3.22×10-5s-1，低于Mg-5Al-2Si合金的 8.97×10-5s-1，進(jìn)一步的研究表明[17-19]，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(guò)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，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α-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(guò)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α-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α-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-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(guò)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Mg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 3個(gè)三相區(qū)(α-Mg+Mg2Sn+MgSnY，α-Mg+Sn3Y5+MgSnY和α-Mg+Sn3Y5+α-Mg24+xY5)和4個(gè)兩相區(qū) (α-Mg+Sn3Y5， α-Mg+Mg2Sn ， α-Mg+MgSnY 和α-Mg+α-Mg24+xY5)。

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 1∶1∶1)。

3) 在 500℃時(shí) Sn在 α-Mg中的固溶度為2.5%~3.9%，Y在α-Mg中的固溶度為1.1%；Sn和Y不能同時(shí)固溶于 α-Mg中，在 Sn3Y5相中大約可以固溶3.6%~4.1%的金屬M(fèi)g。

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Determination of isothermal section of Mg-riched corner in Mg-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, China)

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 compounds exist in equilibrium with the α-Mg solid solution, i.e. Mg2Sn, MgSnY, Sn3Y5and Mg24+xY5. Therefore, three three-phase regions and four two-phase regions are constructed. The solubility of Sn and Y in the α-Mg solid solution are 2.5%-3.9% and 1.1% (mole fraction),respectively, but they can not be simultaneously soluted in α-Mg solid solution. In addition, about 3.6%-4.1% Mg is detected in the Sn3Y5phase. Due to high thermal stability of the compounds such as MgSnY and Sn3Y5, it is thus expected that the Mg-Sn-Y-based alloy could be a promising creep resistant alloy by appropriate alloy design and processing.

Mg-Sn-Y ternary system; phase equilibrium; isothermal section; solubility

TG 113.14

A

1004-0609(2010)02-0177-05

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)

2009-03-31；

2009-05-26

秦高梧，教授，博士；Tel: 024-83683772；E-mail: qingw@smm.neu.edu.cn

(編輯 龍懷中)