Ag-Cu-Sb液相图投影及不变反应

《Materials Chemistry and Physics》：Ag-Cu-Sb liquidus projection and invariant reactions

三元合金系统Ag-Cu-Sb的液相面投影通过淬火、定向凝固和热分析实验确定，发现七个初生凝固相（包括Ag、Cu、Sb及Cu2Sb、Cu3Sb、Ag3Sb、Ag7Sb），未观测到三元化合物。实验测得五个三元不变反应的温度，其中L=(Sb)+Ag3Sb+Cu2Sb反应温度最低（417℃）。采用CALPHAD方法结合文献二元系统参数及实验数据构建三元模型，计算液相面与实验结果吻合。

　　

陈燕仪|何成熙|陈信文

国立清华大学化学工程系

摘要

Ag–Cu–Sb体系是一种重要的三元合金体系，其液相线图已通过实验确定。主要通过淬火实验识别出主要的凝固相，在相识别较为困难的情况下采用了定向凝固技术。共发现了七种主要的凝固相：(Cu)、(Sb)、Cu₂Sb、Cu₃Sb、Ag₃Sb、Ag₇Sb以及(Ag)，未观察到任何三元化合物。除了从二元子系统中继承的不变反应外，Ag–Cu–Sb体系中还存在五种涉及液相的三元不变反应。这些反应的温度是通过差示扫描量热法测定的。其中一类反应L = (Sb) + Ag₃Sb + Cu₂Sb在417°C发生，是所有三元不变反应中温度最低的。此外还进行了CALPHAD型建模。三个组成二元体系的 thermodynamic 模型和参数来自文献，三元体系的相互作用参数则基于实验数据确定。计算得到的液相线图与实验结果吻合良好。

引言

Ag-Cu-Sb体系是一种重要的三元体系。Ag-Cu共晶合金是最重要的钎焊合金之一[1]。Ag-Sb合金被用作pH测量的电极材料以及锂离子电池的成分[2][3][4]。具有纳米结构的Cu-Sb合金可用于多种应用[5]。此外，Ag-Cu-Sb体系中还存在有趣的金属玻璃[6]，并且该体系是无铅Sn-Ag-Cu-Sb焊料合金的重要组成部分[7][8]。

相图提供了确定适当加工路径和评估产品可靠性所需的基本信息。这些信息可以通过实验测量和CALPHAD型计算获得[9][10][11][12][13]。已有关于Ag–Cu–Sb体系的实验相平衡数据[14][15][16][17][18][37]。然而，其液相线图仅部分确定[6]，对于CALPHAD建模至关重要的不变反应信息仍然缺乏。

本研究通过淬火、定向凝固和热分析实验测定了Ag-Cu-Sb体系的液相线图，识别出了主要的凝固相，并构建了标记不同凝固相边界的单变量线以及在这些单变量线交点处发生的不变反应的成分。反应温度通过热分析确定。

对Ag-Cu-Sb体系进行了CALPHAD型建模。其三个组成二元体系（Ag-Cu、Ag-Sb和Cu-Sb）的各类Calphad模型和参数均来自文献，这些模型和参数在评估后直接采用[19][20][21]。三元体系的模型和相互作用参数基于文献中的相平衡数据以及本研究的结果确定。

实验程序

实验方法

Ag–Cu–Sb合金采用高纯度Ag颗粒（99.99 wt.%，Gredmann，台湾）、Cu箔（99.5 wt.%，Alfa Aesar，美国）和Sb颗粒（99.9 wt.%，Alfa Aesar，美国）制备。称量适量的各组分元素（总重量约为1克），并在2.5 × 10^-2 torr的真空环境中封装在6 mm × 8 mm的石英管中。将密封好的管子放入炉中加热至900°C，保持24小时以确保合金完全熔化并均匀化，然后

常规淬火

制备了45种Ag–Cu–Sb合金，其成分如图1(a)所示，并在表1中总结。图2(a)显示了淬火后合金#1（Ag–20.0 at.% Cu–70.0 at.% Sb）的背散射电子图像（BEI）微观图。最丰富且最大的相是亮色相，根据微观结构判断为主要的凝固相，其组成为99.7 at.% Sb、0.3 at.% Cu和微量Ag。图2(b)显示了该相的粉末X射线

结论

通过常规淬火、定向凝固和热分析实验确定了Ag-Cu-Sb三元体系的液相线图，包括不变反应的温度。基于文献中的实验结果、本研究获得的数据以及组成二元体系的CALPHAD模型，对Ag-Cu-Sb体系进行了CALPHAD型建模。计算结果与实验结果吻合良好

作者贡献声明

何成熙：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件使用、方法论、数据分析、数据管理。陈燕仪：撰写 – 初稿撰写、可视化、方法论研究、数据分析、数据管理。陈信文：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目监督、资源协调、资金争取、概念构思

未引用参考文献

[27], [28], [29], [30], [31]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢台湾科技部（编号107-2923-E-007-005-MY3和113-2221-E-007-031-MY3）以及由教育部支持的“高熵材料中心”的财政支持。