Critical evaluation and thermodynamic modeling of Mg-RE-X (X = Mn, Si, Sn) systems coupled with experimental investigation

Magnesium (Mg) alloys are considered as excellent structural materials owing to their light weight along with high specific strength. As for searching new and better Mg alloys, the effect of various alloying elements are currently being investigated. As well as conventional alloying elements like Al, Zn, Mn, etc., rare earth (RE) metals are excellent candidates to enhance the mechanical and chemical properties of Mg alloys. The addition of RE in the casting Mg alloys leads to enhanced strength at both ambient and elevated temperatures. High temperature stable RE compounds are often responsible for the improved creep resistance of the Mg alloys. Recently, the RE addition in the wrought Mg alloys is of great interest in automotive applications because the addition of RE results in weaker and more random textures, which can improve the formability of Mg alloys. The thermodynamic calculations, using thermodynamic database, in the evaluation of existing and potential new Mg alloys are very effective. Accordingly, the development of thermodynamic database of Mg alloys including large amount of alloying species is important to enable the thermodynamic tools to use in many practical applications with regards to Mg alloy development.In the present study, the thermodynamic database for the Mg alloys with RE metals containing Mn, Si, and Sn was developed with a critical evaluation and the optimization of the Mn-RE (13 binary), Si-RE (13 binary), and Sn-RE (13 binary) systems, and several Mg-RE-X (X = Mn, Si, and Sn) (9 ternary) systems. This is part of the development of a large thermodynamic database for the Mg alloys. In the optimizations, the systematic trends and certain similarities were observed in the phase diagrams and thermodynamic properties through the RE series. The systematics was taken into account to complete the optimizations, in particular by the appropriate predictions of the unknown thermodynamic properties. As a result, discrepancies among existing data were successfully resolved during the optimizations, and reliable thermodynamic functions for all the phases in each system were obtained even with the limited amount of experimental data. In addition, key experiments, including phase diagram determinations by differential scanning calorimetry (DSC), and enthalpy of formation measurements by solution calorimetry, were performed for the Mn-Dy system. These experiments enabled to resolve the discrepancies in available experimental data and the lack of thermodynamic information in other Mn-heavy RE systems by the systematic analysis. In the expansion to the ternary systems, the phase diagrams of the Mg-Sn-Nd and Mg-Sn-Gd systems at 500 to 700 oC were determined by the equilibration/quenching method. The existence of the ternary compounds, MgNd(Gd)Sn, MgNd(Gd)Sn2, and Mg4Nd2Sn3 was revealed with the respective phase equilibria. These new ternary phase diagram information were used for the optimization for the Mg-Sn-RE systems.As well as showing the systematics in each binary RE-X system, theoretically, the limitation of the thermodynamic models (Modified quasichemical model vs. Bragg-Williams random mixing model), and the possible reason behind the RE systematics in the enthalpy of formation, the melting temperatures of the RE compounds, etc. were discussed based on the present thermodynamic optimization.Finally, several case studies for Mg alloy evaluation and design were performed to discuss the potential applications of the present optimized thermodynamic database.Les alliages de magnésium sont considérés comme d'excellents matériaux de structure en raison de leur poids léger de leur résistance spécifique élevée. Afin de trouver de nouveaux et meilleurs alliages de Mg, l'effet de divers éléments d'alliage est actuellement à l'étude. Les éléments d'alliage classiques comme Al, Zn, Mn, etc., et les terres rares (RE) sont d'excellents candidats pour améliorer les propriétés mécaniques et chimiques des alliages de Mg. L'ajout de RE dans les alliages de Mg destinés au moulage conduit à une résistance accrue à températures ambiante et élevées. Les composés de RE stables à haute température sont souvent responsables de la résistance au fluage des alliages de Mg. Récemment, l'ajout de RE dans les alliages de Mg a créé un grand intérêt dans les applications automobiles parce que l'addition de RE a produit des textures plus faibles et plus aléatoires ce qui peut améliorer la formabilité des alliages de Mg. Les calculs thermodynamiques, à l'aide de bases de données thermodynamiques, sont très efficaces pour évaluer des alliages de Mg existants ou potentiellement nouveaux. Par conséquent, le développement d'une base de données thermodynamiques pour les alliages de Mg contenant une grande quantité d'éléments est essentiel pour l'emploi d'outils thermodynamiques utiles dans le développement d'alliages de Mg.Dans la présente étude, la base de données thermodynamiques pour les alliages de Mg avec des métaux de RE contenant du Mn, Si et Sn a été développée en réalisant une évaluation critique et une optimisation des systèmes Mn-RE (13 binaires), Si-RE (13 binaires), Sn-RE (13 binaires) et plusieurs systèmes Mg-RE-X (X = Mn, Si, Sn) (9 ternaires). Ceci fait partie de l'élaboration d'une grande base de données thermodynamiques pour les alliages de Mg. Dans les optimisations, les tendances systématiques et certaines similitudes ont été observées dans les diagrammes de phases et propriétés thermodynamiques à travers la série des RE. Cette systématique a été prise en compte pour compléter les optimisations et pour prédire certaines propriétés thermodynamiques inconnues. Par conséquent, les différences observées entre les données existantes ont été résolues avec succès pendant les optimisations et des fonctions thermodynamiques fiables pour toutes les phases de chaque système ont été obtenues même avec une quantité limitée de données expérimentales. En outre, des expériences clés, y compris des déterminations de diagramme de phase par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), et des mesures d'enthalpie de formation, par calorimétrie de solution, ont été réalisées pour le système Mn-Dy. Ces expériences ont permis de résoudre les anomalies dans les données expérimentales disponibles et le manque d'information thermodynamique dans d'autres systèmes de Mn-RE lourds par analyse systématique. Dans le développement des systèmes ternaires, les diagrammes de phase des systèmes Mg-Sn-Nd et Mg-Sn-Gd de 500 à 700 °C ont été déterminées par la méthode d'équilibre et de trempe. L'existence des composés ternaires MgNd(Gd)Sn, MgNd(Gd)Sn2 et Mg4Nd2Sn3 a été révélé avec les équilibres de phases respectifs. Ces nouvelles informations de diagramme de phase ternaire ont été utilisées pour l'optimisation des systèmes Mg-Sn-RE.En plus de montrer la systématique dans chaque système binaire RE-X, la limitation des modèles thermodynamiques (Modèle quasichimique modifié vs Modèle de mélange aléatoire Bragg-Williams) et la raison possible derrière la systématique des RE dans l'enthalpie de formation, les températures de fusion des composés de RE, etc., ont été théoriquement examinées sur la base de la présente optimisation thermodynamique.Enfin, plusieurs études de cas pour l'évaluation et le design d'alliages de Mg ont été effectuées pour examiner les applications potentielles de la présente base de données thermodynamiques optimisée