Experimental and Thermodynamic Investigation of RE-Mg-Zn (RE=Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu) Systems

Lors d'une “optimisation” / modélisation thermodynamique, des paramètres du modèle ajustables sont affinés à partir de toutes les données thermodynamiques et d'équilibres de phases disponibles de façon à obtenir un ensemble d'équations du modèle dépendant de la température et de la composition. A partir de ces équations du modèle, toutes les propriétés thermodynamiques et tous les diagrammes de phases peuvent être calculés par minimisation de l'énergie de Gibbs à l'aide d'un logiciel tel que FactSage. En général, l'optimisation d'un système ternaire commence par l'optimisation des trois sous-systèmes binaires. Les paramètres binaires du modèle sont ensuite utilisés pour estimer les propriétés des phases ternaires, et ces estimations sont ensuite améliorées par l'introduction de paramètres ternaires si nécessaire de façon à reproduire les données ternaires disponibles. Tous les systèmes binaires Mg-Zn et Mg-RE (où RE = terre rare) ont déjà été optimisés auparavant et les paramètres du modèle pour ces systèmes sont disponibles dans le logiciel FactSage. Dans le présent projet, tous les systèmes binaires RE-Zn et la plupart des systèmes ternaires RE-Mg-Zn sont optimisés.En premier lieu, toutes les données thermodynamiques et de diagrammes de phases disponibles pour les systèmes Re-Zn (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) ont été rassemblées et évaluées de manière critique. Les terres rares ont des propriétés très similaires. Les diagrammes de phases de tous les systèmes Re-Zn sont très semblables. Les tendances observées dans les propriétés des systèmes terre rare (RE)-Zn pour toute la séquence des terres rares ont été exploitées pour estimer les données manquantes et pour vérifier la cohérence des données existantes. Le Modèle de Miedema est également utilisé dans le présent projet pour évaluer l'enthalpie de mélange des phases liquides. A partir de toutes les données disponibles, une évaluation critique et une optimisation thermodynamiques de ces systèmes a été effectuée et des paramètres du modèle pour les propriétés thermodynamiques de toutes les phases ont été obtenus. En second lieu, des expériences de diffraction de neutrons (DN) in-situ ont été réalisées pour des échantillons choisis dans les systèmes Ce-Mg-Zn et Nd-Mg-Zn de façon à identifier les phases et les températures de transition. Grâce à la grande capacité de pénétration des neutrons, des échantillons de grande taille (10-20 grammes) peuvent être utilisés dans le présent travail, conduisant à un meilleur contrôle de la composition et à une résistance à l'oxydation accrue. Des informations plus précises à propos des relations de phases et du comportement en transformation découlent des présentes expériences de DN car celles-ci sont réalisées in-situ à des températures élevées. Toutes les données expérimentales de DN sont utilisées pour valider et affiner le modèle thermodynamique. Finalement, toutes les données de diagrammes de phases pour les systèmes RE-Mg-Zn ont été évaluées de manière critique et tous les systèmes ternaires RE-Mg-Zn (à l'exception de Sc-Mg-Zn, Pm-Mg-Zn, Eu-Mg-Zn et Yb-Mg-Zn) ont été optimisés à partir des systèmes binaires Mg-Zn, Mg-RE et RE-Zn. Les tendances et régularités observées sont utilisées à nouveau lors de l'optimisation des systèmes ternaires. Comme on pouvait s'y attendre, tous les systèmes RE-Mg-Zn sont liés de près. Les systèmes Ce-Mg-Zn et Nd-Mg-Zn sont optimisés de façon critique en prenant en compte les nouvelles données de DN. L'optimisation thermodynamique de tous les autres systèmes RE-Mg-Zn est grandement facilitée par l'optimisation simultanée des systèmes Ce-Mg-Zn et Nd-Mg-Zn. Il faut noter que le Modèle Quasichimique Modifié (MQM) est utilisé dans le présent projet pour décrire la phase liquide. Puisque l'ordre à courte distance est pris en compte par ce modèle, on s'attend à une meilleure description de la phase liquide. Le présent projet a pour but de construire une banque de données thermodynamiques la plus complète et la plus précise possible pour les systèmes RE-Mg-Zn. Les chercheurs s'intéressant aux alliages de Mg pourront en bénéficier.

Abstract

In a thermodynamic “optimization/modeling”, adjustable model parameters are refined based on all available thermodynamic and phase-equilibrium data in order to obtain one set of model equations as functions of temperature and composition. From the model equations, all the thermodynamic properties and phase diagrams can be back-calculated by Gibbs energy minimization using software such as FactSage. Generally, in the optimization of a ternary system one begins by optimizing the three binary sub-systems. The binary model parameters are then used to estimate the properties of the ternary phases, and these estimates are then refined by introducing ternary model parameters where required to reproduce available ternary data. All binary Mg-Zn and Mg-RE (where RE = rare earth) systems have already been optimized and the model parameters of these systems are readily available in the FactSage software. In the present project, all binary RE-Zn and most of the ternary RE-Mg-Zn systems are optimized.Firstly, all available phase diagram and thermodynamic data for the RE-Zn (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) systems have been collected and critically assessed. The rare earth elements have very similar properties. The phase diagrams of all RE-Zn systems are very similar. Trends in the properties of the rare earth (RE)-Zn systems as one traverses the rare earth series have been exploited for purposes of estimating missing data and for checking existing data for consistency. The Miedema Model is also used in the present project to estimate the enthalpy of mixing of the liquid phases. Based on all available data, critical thermodynamic evaluation and optimization of these systems have been carried out and model parameters for the thermodynamic properties of all phases have been obtained.Secondly, in-situ neutron diffraction (ND) experiments have been performed on selected samples in the Ce-Mg-Zn and Nd-Mg-Zn systems to identify phases and transition temperatures. Due to the high penetrating power of neutrons, large samples (10-20 grams) are used in the present work, leading to better control of composition and increased resistance to oxidation. More accurate information about phase relationships and transformation behavior can also be expected from the present ND experiments because they are performed in-situ at high temperatures. All the ND experimental data are used to validate and refine the thermodynamic modelling.Finally, all phase diagram data for the RE-Mg-Zn systems have been critically assessed and all ternary RE-Mg-Zn (excluding Sc-Mg-Zn, Pm-Mg-Zn, Eu-Mg-Zn and Yb-Mg-Zn) systems have been optimized, based on the binary Mg-Zn, Mg-RE and RE-Zn systems. Observed trends and regularities are again used in the optimization of the ternary systems. As expected, all RE-Mg-Zn systems are similarly closely related. The Ce-Mg-Zn and Nd-Mg-Zn systems are critically optimized taking into account the new ND data. Thermodynamic optimization of all other RE-Mg-Zn systems is greatly aided by simultaneous optimization of the Ce-Mg-Zn and Nd-Mg-Zn systems.It should be noted that the Modified Quasichemical Model (MQM) is used in the present project to describe the liquid phase. Since short range ordering (SRO) is taken into account by this model, better description of the liquid phase is expected.The present project is aimed at building the most complete and accurate thermodynamic database for the RE-Mg-Zn systems from which all investigators of Mg alloys can benefit.