Al-Ge-Sn体系的CALPHAD型评估：第一部分——Al-Ge体系的重新评估以及使用SGTE单组元数据的Al-Ge-Sn体系的实验与理论评估

《Calphad》：The CALPHAD type assessment of the Al-Ge-Sn system: Part I – reassessment of the Al-Ge system and the experimental and theoretical assessment of the Al-Ge-Sn system using SGTE unary data

　　摘要要点：• 利用Eslami等人的混合焓数据重新评估了Al-Ge体系。• 实验确定并理论模拟了Al-Ge-Sn体系中富Al角的混溶间隙。• 混溶间隙最高温度的估计在920-930 K范围内。• Al-Ge及Al-Ge-Sn的理论评估与现有实验数据吻合良好。引言相图对于新材料的开发及其材料性质的研究具有重要意义。详细掌握稳定或亚稳态平衡中相的共存与稳定性知识，能够显著优化具有所需材料性能的材料设计与后续开发。由于多组分相图的实验研究耗时较长且实验工作量可能非常庞大，多组分相图的理论建模成为材料开发的重要工具。尽管该体系相对简单，但Al-Ge-Sn三元体系的相平衡和热力学性质在过去并未得到深入研究。因此，本工作将Al-Ge-Sn体系相平衡的实验研究与理论评估相结合。章节片段Al-Ge体系Al-Ge二元体系是一个基本的共晶体系，纯元素的固溶度有限。该体系在过去已被广泛研究，主要目的是建立体系的相图；热力学研究则范围较为有限。共晶温度Te已被多位研究者研究，包括Kroll[1]以及Stohr和Klemm[2]，后来Caywood[3]也进行了测量。Al-Ge体系相图的首次系统表征是通过测量的实验装置三元Al-Ge-Sn合金样品由高纯金属（99.999% Al和Sn，99.9999% Ge）制备，总重量为800 mg。样品在6N氩气保护气氛下的电弧熔炼炉中进行合金化，使用钛作为吸氧剂以增强保护气氛。每种合金重新熔炼三次，以确保整个样品体积的均匀性。制备的铸态合金样品密封于抽真空的石英玻璃安瓿中，并长时间退火处理。热力学建模采用半经验CALPHAD方法进行热力学建模和相图计算，该方法在Lukas等人[51]和Saunders与Miodownik[52]中有更详细的描述。该方法基于热力学性质的理论建模，利用可靠的实验相图和热力学数据来获得描述所研究体系的一组一致的热力学参数。评估首先从相关二元体系的热力学数据集开始，这些数据随后用于基于SGTE数据重新评估Al-Ge体系多位研究者[14], [17], [18], [19], [20]对Al-Ge体系进行了热力学评估。他们使用了参考文献[1], [2], [3], [4], [8]以及Glazov等人[57]发表的相对一致的相图数据。第一次评估由文献[14]完成，其液相线计算结果与现有实验数据吻合良好。McAllister和Murray重新评估了该体系，并补充了Al在Ge中的固溶度[18]。一元数据的问题在文献[18]中存在基于SGTE数据评估Al-Ge-Sn体系本工作重新评估了Al-Ge-Sn三元体系，使用了重新评估的Al-Ge体系以及Cheng等人[23]的Al-Sn和Feutelais等人[47]的Ge-Sn理论评估。后者在COST MP0602行动计划[17]范围内进行了修订，加入了锗在bct锡中的固溶度。本论文第3章中给出的实验数据用于评估该三元体系。Kuznetsov等人[48]的工作仅作为辅助信息来源Al-Ge体系的重新评估本论文提出了两项新的评估。Al-Ge二元体系在本工作范围内进行了重新评估。这里没有使用新的实验数据；而是使用了文献[12]中更近期的液相混合焓数据，与Srikanth等人[19]和Islam等人[20]的先前评估进行了比较。评估中使用的所有实验数据均获得了很好的吻合，包括Al的偏摩尔吉布斯能和活度结论• 利用Eslami等人[12]的混合焓数据重新评估了Al-Ge体系。• 实验发现并理论模拟了三元Al-Ge-Sn体系富Al角的宽混溶间隙。• 混溶间隙最高温度的估计在920-930 K范围内。• 与现有热力学数据吻合良好CRediT作者贡献声明O. Zoba?：写作—审阅与编辑，写作—原稿，方法学，调查，形式分析，数据管理。A. Kroupa：写作—审阅与编辑，写作—原稿，项目管理，方法学，调查，经费获取，形式分析，数据管理，概念化。A. Dinsdale：写作—审阅与编辑，写作—原稿，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。利益冲突声明确认：本工作此前未发表，也未在其他期刊投稿中。所有共同作者及工作承担机构的负责人已批准发表。致谢作者感谢捷克科学基金会（项目编号22-22187S）的资助，并感谢捷克NanoLab研究基础设施（编号90251）由捷克教育部资助对测量/样品制备的支持。作者还感谢维也纳大学K.W. Richter教授的有益讨论及其关于DSC测量的评论。O. Zoba?|A. Kroupa|A. Dinsdale