Mg-Sn-Pr三元系富Mg端液相投影圖實驗研究

鎂的密度約為1.74g/cm

,是最輕的工程材料之一，鎂合金較其它合金具有很大優(yōu)勢，其密度遠小于鋁、鈦、鐵等

。鎂合金比強度高、比剛度高、阻尼性高、減振性好及電磁屏蔽性好，利于回收及循環(huán)利用。這些優(yōu)點使鎂合金在航空航天業(yè)、汽車工業(yè)、電子通信業(yè)，醫(yī)用器材等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，被譽為當代綠色工程材料

。但Mg-Al系合金的高溫蠕變性能差

。由于Sn與Mg能生成高熔點的Mg

Sn相，從而能提高鎂合金的高溫性能

；輕稀土（La,Ce,Nd,Pr,Sm）是用于改善Mg合金性能的常用元素

。因此Mg-Sn-Pr三元系相圖的研究對新型高溫鎂合金的研發(fā)具有重要的意義。目前對多元系鎂合金凝固次序及相變研究還較少，但這些信息是獲得合理相圖熱力學(xué)優(yōu)化數(shù)據(jù)所需要的關(guān)鍵信息。本研究運用高頻感應(yīng)爐制備鑄態(tài)合金樣品，通過觀測鑄態(tài)樣品的顯微結(jié)構(gòu)，確定每個合金的初晶相及凝固次序，最后繪制出Mg-Sn-Pr三元系富Mg端的液相面投影圖，為Mg-Sn-Pr三元系的相圖熱力學(xué)優(yōu)化提供寶貴的液相投影圖數(shù)據(jù)。

1 樣品的制備及分析測試

本研究所采用的Mg、Sn及Pr三種元素的含量均為99.99%。采用高頻感應(yīng)熔煉的方法制備合金樣品。高頻感應(yīng)爐熔煉具有幾個優(yōu)點。首先，由于加熱體只包括金屬，加熱過程短，可以迅速獲得高溫。其次，由感應(yīng)電流產(chǎn)生的金屬熔池的自然攪拌使合金均勻化。線圈是高頻感應(yīng)爐的主要部件。它是空心的高導(dǎo)電性銅水冷管纏繞成螺旋線圈。線圈包含在鋼殼內(nèi)，并使用磁屏蔽來防止支撐殼發(fā)熱。由于高頻感應(yīng)熔煉是在內(nèi)襯坩堝中進行的，因此要選擇在操作溫度下不會與熔融金屬發(fā)生反應(yīng)的內(nèi)襯材料。本研究中選用高溫穩(wěn)定性較好的Al

O

坩堝。同樣預(yù)先處理好總重約3g的樣品放置于Al

O

坩堝中，然后將Al

O

坩堝放置于石墨上，罩上石英玻璃管，抽至一定真空后通入約0.2Mpa的氬氣進行保護。理論上充入氬氣越多，對Mg的揮發(fā)抑制就越好。但鑒于石英玻璃管的強度及從實驗安全的角度考慮，充入氬氣不超過0.2Mpa。高頻感應(yīng)加熱是產(chǎn)生高頻磁場作用于樣品之上，對樣品感應(yīng)產(chǎn)生渦流電流及焦耳熱使其熔化。金屬Pr中的渦流電流不強，產(chǎn)生的焦耳熱難以將其融化。而石墨能迅速產(chǎn)生渦電流且導(dǎo)熱性強，因此還需要通過石墨來加強樣品的加熱效率。熔煉樣品過程中可以觀察到Sn是最先熔化的，其次到Mg，最后才到Pr，并且不同成分樣品其加熱過程中反應(yīng)劇烈程度有很大不同，Pr含量較多時，因為Pr在高溫中化學(xué)性質(zhì)較為活潑，會在其臨近完全熔化前出現(xiàn)飛濺及微微的爆鳴聲。此時則證明合金樣已經(jīng)熔化，需要迅速降低電流保溫一定時間，待樣品被渦流攪拌均勻即可。熔煉好的樣品待其冷卻后，應(yīng)立刻放入裝有石蠟的試管中保存，以防止含稀土Pr的樣品在空氣發(fā)生氧化反應(yīng)。

讓他驚訝的是，那人不是她。他立即意識到，是小偷從陽臺翻了進來。他就沖著正在客廳翻東西的小偷大喝一聲：住手！小偷和他就在客廳里躲躲閃閃地打斗起來。小偷在黑暗中揮舞著尖刀刺來刺去，但都被他躲開了。

制備金相樣品是顯微結(jié)構(gòu)分析實驗前必不可少的工作。為了便于之后磨樣及掃描電子顯微鏡的裝樣要求，本研究制備的金相樣品直徑約22mm，厚約為12mm。鑲樣的方法大致分兩種，一種為醫(yī)用牙托粉為鑲嵌料的冷鑲法，一種為以酚醛塑料或電玉粉為鑲嵌料的熱鑲法。由于本研究磨樣及短暫存儲樣品過程中均會采用無水乙醇，其對牙托粉有一定溶解作用，從而會造成較多的孔洞，不利于掃描電鏡實驗的進行。而且牙托粉導(dǎo)電性較差，也將影響掃描電鏡的成像。因此經(jīng)過前期的實驗探索，決定使用熱鑲法進行制樣。熱鑲采用的是黑色酚醛塑料粉，其導(dǎo)電性較好，利于掃描電鏡成像，并且其鑲制成的樣品質(zhì)地較為緊密，不易無水乙醇，因此在抽真空過程中比較順利。制備時先將合金樣品平整地放入約22mm的金相試樣鑲嵌機（沈陽科晶自動化設(shè)備有限公司，XQ-2B型金相試樣鑲嵌機）模具中，填入高度約16mm的黑色酚醛塑料粉，加熱至135℃，保溫10分鐘并壓制緊密。

磨樣是制備標準金相樣品關(guān)鍵步驟，樣品磨制的好壞極大影響金相顯微組織的觀察效果。本研究采用自動磨拋機（萊州市蔚儀試驗器械制造有限公司，MoPao2S型自動磨拋機）進行磨制樣品。將鑲嵌好的樣品，放置于磨拋機卡盤上，壓力設(shè)置為12N，轉(zhuǎn)頭及底盤轉(zhuǎn)數(shù)分別為50r/min及400r/min。選取顆粒度為600目，800目，1200目，1500目，2000目砂紙各一張，單張磨制時間為180秒。磨制過程中為了減少樣品的氧化，則不能采用常規(guī)的水來作為冷卻液，改為采用無水乙醇進行冷卻。特別注意的是，每次更換砂紙應(yīng)將樣品用脫脂棉花擦拭干凈，減少鑲樣粉殘留在樣品表面造成新的劃痕。并且為了減少樣品的氧化，還應(yīng)將樣品迅速放置于無水乙醇中保存。待更換好砂紙后方可重新放入卡盤中。拋光過程中采用羊絨拋光布進行，將樣品表面先涂上0.5μm的金剛石拋光膏，放置于卡盤中，壓力調(diào)整為9N，拋光120秒，之后擦拭干凈樣品后，涂抹上0.1μm的金剛石懸浮液再次拋光120秒。對拋光好的樣品采用光學(xué)顯微鏡（德國卡爾蔡司AG，Axio Imager A2M型）觀察其是否存在明顯劃痕，其次觀察樣品相界是否清晰，通過顯微鏡初步了解其相分布情況，以便于后續(xù)的掃描電鏡分析，觀察好的樣品應(yīng)立刻放置于石蠟中短暫保存減少其氧化。

鑄態(tài)樣品顯微結(jié)構(gòu)的分析是用光學(xué)顯微鏡初步觀察相分布，但是光學(xué)顯微鏡對于極小或襯度不明顯的相之間辨識度有限。因此對于相分布的精確確定還依靠于配備能譜儀(EDS)（英國牛津儀器，X-MAX 80型）的掃描電子顯微鏡（SEM）（日本日立高新技術(shù)公司，SU-8020）。由于上文提到樣品必須保存于石蠟或者無水乙醇中，因此操作掃描電子顯微鏡前必須進行干燥處理，將樣品用脫脂棉擦拭干凈后放置于蒸發(fā)皿中，并使用真空干燥皿抽10分鐘真空，目的是盡可能抽出樣品氣孔中的無水乙醇及空氣。這步操作能有效提高樣品在掃描電子顯微鏡中的成像清晰度。在掃描電子顯微鏡裝樣前，應(yīng)提前剪制好需要的導(dǎo)電膠，再將真空干燥皿打開取出樣品，迅速將樣品粘牢在樣品臺，樣品間使用導(dǎo)電膠連接，并連接一條導(dǎo)電膠至樣品臺，既能提高樣品的導(dǎo)電性又能根據(jù)導(dǎo)電膠走向確定樣品位置，便于接下來的拍攝。拍攝時應(yīng)在低倍數(shù)選取相分布均勻的較大區(qū)域運用能譜儀的點掃描能確定樣品的實際成分，接著調(diào)整至高倍數(shù)調(diào)整對比度及相散使各相呈現(xiàn)出清晰的相界，對于某些樣品由于相之間相成分接近，在二次電子模式下未能清晰的分辨出各相，則還需調(diào)整至背散射模式，該模式對相之間的襯度識別度強。接著拍攝各物相的形貌及分布特征。然后選3至5個區(qū)域?qū)Ω魑锵噙M行點掃描，確定各物相的原子百分數(shù)成分。

2 實驗結(jié)果與分析

圖1（a-f）給出6個初晶相區(qū)代表合金的顯微照片。圖1a是鑄態(tài)合金C1的SEM照片，從圖中能觀察到，黑色相是Mg，它大塊且獨立，周圍包裹著最后凝固的液相，因此推斷Mg為初晶相?；野咨酁椋é?/p>

）（MgSnPr），它是第二個析出相，最后凝固的為Mg+Mg

Sn的共晶組織。圖1b是鑄態(tài)合金C2的SEM照片，從該照片可以看出三相中的深灰色相（Mg

Sn），其形貌遠大于其他兩相，且呈獨立分布，因此推斷該相為初晶相，淺灰色的相（τ

）為次生相，最后凝固的相是黑色的Mg。圖1c是C4的SEM照片，從該照片可以發(fā)現(xiàn)灰色相（τ

）分布獨立且量多，固τ

為該鑄態(tài)樣品的初晶相。深灰色的相為Mg

Sn，其含量遠少于τ

，它是第二個析出的相。最后凝固的是Mg+Mg

Sn的共晶組織。圖1d是C5合金的SEM照片。由該照片可以很容易的判斷淺灰色的獨立塊狀相（τ

）為初晶相，深灰色相（Mg

Pr）為次生相，最后凝固的是黑色相Mg

Pr。C6的SEM照片如圖1e所示，灰白色相(Pr

Sn

)呈獨立分布，為初晶相,黑色相（Mg

Pr）包圍著初生相，固為次生相，呈連片狀的灰色相（Mg

Pr）為最后的凝固相。從C3的SEM照片（圖1f）中可以發(fā)現(xiàn)Pr

Sn呈孤島狀分布，為初晶相，包裹在初晶相周圍淺灰色相（MgPr）為次生相，連片狀的深灰色相（Mg

Pr）為最后凝固相。

兩人來到一家咖啡店，坐到桌旁。侍者端來兩杯咖啡，蘇婷婷問：張陽，有什么話你說吧！張陽想了想：婷婷，離開杰克吧，你和他不合適。蘇婷婷不服地：你怎么知道我和杰克不合適？張陽自信地：我能感覺出來，婷婷，我愛你。蘇婷婷站起身：張陽，還有別的話嗎？沒有我走了！張陽無奈地：好，我不說這個了。蘇婷婷剛要坐下，看見杰克和一個外國朋友走進來，二人目光相遇，杰克看看張陽……

Mg-Sn-Pr部分代表性鑄態(tài)合金試樣的SEM-EDS及XRD測試結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)論

本實驗用SEM-EDS和XRD實驗方法，對Mg-Sn-Pr三元系富Mg端鑄態(tài)合金樣品進行了形貌及成分分析以及物相鑒定，綜合分析所有的實驗數(shù)據(jù)，共測到了Mg、Mg

Sn、τ

、τ

、Pr

Sn及Pr

Sn

等六個初晶相區(qū)，繪制出如圖2所示的Mg-Sn-Pr三元系富Mg端液相面投影圖。

RFID防偽平臺負責對商品上的RFID電子標簽進行防偽溯源信息（生產(chǎn)日期、物流信息等）的寫入并上傳至溯源信息管理平臺。為了實現(xiàn)溯源這項功能, 采集成功的RFID標簽數(shù)據(jù)還需要進行相應(yīng)的處理和數(shù)據(jù)存儲。防偽平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示：

綜上所述，通過SEM-EDS和XRD實驗方法，并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析，最終獲得了Mg-Sn-Pr三元系富Mg端液相面投影圖。該圖可以為Mg-Sn-Pr三元系的相圖熱力學(xué)優(yōu)化提供有力的支持。

[1] 吳國華,陳玉獅,丁文江.鎂合金在航空航天領(lǐng)域研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].載人航天,2016,22(03)：281-292.

[2] 曾小勤.稀土鎂合金研究與應(yīng)用進展[J].稀土信息,2016(02)：26-29.

[3] 王夢南.新型Mg-Al-Zn系鎂合金的高溫蠕變性能研究[D].吉林大學(xué),2019.

[4] 谷雄杰.鎂空氣電池用Mg-Sn基陽極材料的組織特性與放電行為研究[D].太原理工大學(xué),2021.

[5] 曾小勤,陳義文,王靜雅,丁文江.高性能稀土鎂合金研究新進展[J].中國有色金屬學(xué)報,2021,31(11)：2963-2975.