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，利于回收及循環利用。這些優點使鎂合金在航空航天業、汽車工業、電子通信業，醫用器材等領域有著廣泛應用，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優化數據所需要的關鍵信息。本研究運用高頻感應爐制備鑄態合金樣品，通過觀測鑄態樣品的顯微結構，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優化提供寶貴的液相投影圖數據。

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%。采用高頻感應熔煉的方法制備合金樣品。高頻感應爐熔煉具有幾個優點。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，由感應電流產生的金屬熔池的自然攪拌使合金均勻化。線圈是高頻感應爐的主要部件。它是空心的高導電性銅水冷管纏繞成螺旋線圈。線圈包含在鋼殼內，并使用磁屏蔽來防止支撐殼發熱。由于高頻感應熔煉是在內襯坩堝中進行的，因此要選擇在操作溫度下不會與熔融金屬發生反應的內襯材料。本研究中選用高溫穩定性較好的Al

O

坩堝。同樣預先處理好總重約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。高頻感應加熱是產生高頻磁場作用于樣品之上，對樣品感應產生渦流電流及焦耳熱使其熔化。金屬Pr中的渦流電流不強，產生的焦耳熱難以將其融化。而石墨能迅速產生渦電流且導熱性強，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劇烈程度有很大不同，Pr含量較多時，因為Pr在高溫中化學性質較為活潑，會在其臨近完全熔化前出現飛濺及微微的爆鳴聲。此時則證明合金樣已經熔化，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的樣品在空氣發生氧化反應。

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構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。而且牙托粉導電性較差，也將影響掃描電鏡的成像。因此經過前期的實驗探索，決定使用熱鑲法進行制樣。熱鑲采用的是黑色酚醛塑料粉，其導電性較好，利于掃描電鏡成像，并且其鑲制成的樣品質地較為緊密，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，壓力設置為12N，轉頭及底盤轉數分別為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，以便于后續的掃描電鏡分析，觀察好的樣品應立刻放置于石蠟中短暫保存減少其氧化。

鑄態樣品顯微結構的分析是用光學顯微鏡初步觀察相分布，但是光學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，應提前剪制好需要的導電膠，再將真空干燥皿打開取出樣品，迅速將樣品粘牢在樣品臺，樣品間使用導電膠連接，并連接一條導電膠至樣品臺，既能提高樣品的導電性又能根據導電膠走向確定樣品位置，便于接下來的拍攝。拍攝時應在低倍數選取相分布均勻的較大區域運用能譜儀的點掃描能確定樣品的實際成分，接著調整至高倍數調整對比度及相散使各相呈現出清晰的相界，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個區域對各物相進行點掃描，確定各物相的原子百分數成分。

2 實驗結果與分析

圖1（a-f）給出6個初晶相區代表合金的顯微照片。圖1a是鑄態合金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。灰白色相為（τ

）（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，從該照片可以發現灰色相（τ

）分布獨立且量多，固τ

為該鑄態樣品的初晶相。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）中可以發現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部分代表性鑄態合金試樣的SEM-EDS及XRD測試結果如表1所示。

3 結論

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據，共測到了Mg、Mg

Sn、τ

、τ

、Pr

Sn及Pr

Sn

等六個初晶相區，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。為了實現溯源這項功能, 采集成功的RFID標簽數據還需要進行相應的處理和數據存儲。防偽平臺的硬件結構如圖4所示：

綜上所述，通過SEM-EDS和XRD實驗方法，并對實驗數據進行了分析，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優化提供有力的支持。

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