Mg-Mn-Fe-Ni、Mg-Mn-Ca-Zr、Mg-Mn-Al-Li體系的相圖及熱力學研究.pdf

1、與鋼鐵、鋁合金等結構材料相比,鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、易切削加工、容易回收等特點。隨著能源和原材料的短缺,對鎂合金進行系統(tǒng)的研究顯現(xiàn)出了巨大的應用價值。鎂合金的相圖熱力學研究作為鎂合金的基礎研究,也顯得越來越重要。但是由于鎂的高揮發(fā)性以及高反應活性,對鎂合金的相圖熱力學進行系統(tǒng)研究(特別是對包含Ca、Mg、Mn等元素的體系的研究)一直是相圖研究領域的一個國際難題。
　　本研究屬于“多組元鎂合金體系的相圖測定、熱力學計算

2、及顯微組織演變的模擬”研究項目中的一部分。本工作的主要工作思路是:自行設計一套可用于含Ca、Mg、Mn等高揮發(fā)性以及高反應活性元素的合金的制備以及檢測方法,采用這套方法測定Mg-Mn-Fe-Ni、Mg-Mn-Ca-Zr以及Mg-Mn-Al-Li三個四元系中含鎂的三元系的相平衡,在綜合考慮所有的實驗數據的基礎上,對所有的三元系及相關的二元系進行熱力學計算。本工作主要研究成果如下:
　　(1)在Fe-Mg-Mn、Fe-Mg-Ni和Mg

3、-Mn-Ni三個體系的研究中,本工作建立了粉末冶金法制備鎂合金相圖試樣的流程。采用這套制備流程,本工作分別制備了Fe-Mg-Mn、Fe-Mg-Ni、Mg-Mn-Ni體系的試樣。隨后在對Ca-Mg-Zr、Ca-Mg-Mn、Ca-Mn以及Ca-Zr四個體系的研究中,針對Ca元素活性極大的特點,本工作還對此套流程進行了改進。本工作提出的粉末冶金法制備流程克服了由于Mg元素的揮發(fā)性在制備中引起的技術難題。
　　(2)為了解決鎂合金的差熱分

4、析這一世界性難題,本工作設計了一種特殊的差熱分析法,較好地解決了含高揮發(fā)、高反應活性元素體系相變溫度測定問題,本方法具有精度高、全程水氧含量低的優(yōu)點。利用該法,本工作精確測定了Mg-Mn-Ni、Mg-Mn-Zr、Ca-Mg-Mn、Ca-Mg-Zr、Ca-Mn以及Ca-Zr體系的相轉變溫度。該方法可望進一步拓展到鋰電池和貯氫功能材料的研究。
　　(3)本工作系統(tǒng)分析了CALPHAD(相圖計算)長期研究中易忽略的一些不合理相關系,如倒

5、置溶解度隙、固(液)相的高溫(低溫)再穩(wěn)定、金屬間化合物的低溫分解等問題。從熱力學的角度分析了它們產生的原因。在此基礎上,提出了熱力學約束條件來消除計算中的不合理的相關系,并把這些熱力學約束條件用到了Al-Li-Mg、Ca-Mg-Mn和Mg-Mn-Ni等體系的優(yōu)化過程中。通過本工作提出的理論方法,成功地控制了熱力學計算中不合理相關系的出現(xiàn)。
　　(4)本工作通過自主創(chuàng)新發(fā)明的實驗方法,測定了Fe-Mg-Mn、Fe-Mg-Ni、Mg

6、-Mn-Ni、Mg-Mn-Zr、Ca-Mg-Mn和Ca-Mg-Zr體系的等溫截面以及變溫截面。在本工作測定的實驗數據以及文獻數據的基礎上,對Fe-Mg-Mn、Fe-Mg-Ni,Mg-Mn-Ni、Mg-Mn-Zr、Al-Li-Mg、Ca-Mg-Mn和Ca-Mg-Zr三元系以及邊際Li-Mg、Ca-Zr和Ca-Mn體系進行了熱力學優(yōu)化和計算,獲得了各個體系的自洽熱力學參數。本工作對其中的絕大部分體系首次進行了實驗測定及熱力學描述。本工作的熱