Sc/Zr微合金化铝合金的形核演化和强韧化机理

Microalloying with Sc/Zr is an effective way to improve the microstructure and performances of aluminum alloys. But current perception of the new phase Al3ScxZr1-x is mostly qualitative analysis in nanometer level. Microalloying research relies more on the atomic level analysis of the properties of new phase and precipitation interface based on the first-principles method. By contrasting the stabilities of Al3ScxZr1-x phases and Al/Al3ScxZr1-x interfaces with series of Sc/Zr ratio, the nucleation and growing trend of Al3ScxZr1-x can be analyzed, and the precipitation evolution mechanism of Al3ScxZr1-x can be revealed. Based on the comprehensive analysis of elastic properties of micro alloy phase, static binding stability of interface and dynamic elastic-plastic interface features, the strengthening and toughening mechanism of Al3ScxZr1-x precipitation can be scientific interpreted. By tracking the atomic migration near interfaces with and without defects under applied stress, the crack initiation mechanism and dislocation slip mechanism around Al3ScxZr1-x precipitation during the process of strain can be explored. Through the project implementation, we can achieve the stable structures of Al3ScxZr1-x phase and its evolution rule, reveal the strengthening and toughening mechanism and elastic-plastic behavior mechanism, and apply them to microalloying design for Al alloy.

Sc/Zr微合金化改性是优化铝合金的有效手段，但目前对新生相Al3ScxZr1-x的认识多处于纳米层次的定性分析，更有赖于采用第一性原理方法从原子层面分析微合金相及析出界面的性质。本项目拟对比系列Sc/Zr比下Al3ScxZr1-x相和Al/Al3ScxZr1-x界面稳定性，剖析Sc/Zr微合金化形核演化机制；结合相弹性性质，静态界面结合强弱及动态界面弹塑性行为，科学诠释Al3ScxZr1-x相的析出强韧化机理；追踪近界面原子在应力下的迁移方式，探寻应变过程临近Al3ScxZr1-x相的裂纹萌生和位错滑移机制。项目最终目标，明确微合金相Al3ScxZr1-x的析出结构形态和演化机制，揭示析出强韧化机理和动态弹塑性行为，并以此指导铝合金微合金化改性。

微合金化可通过引入新的微合金相与相界面，提高铝合金性能，有效实现合金改性。Sc作为细化剂，价格昂贵，Sc、Zr同时掺杂可大幅度降低成本。研究Zr/Sc微合金Al3ScxZr1-x相的结构特征、析出演化机制及界面强韧化机理, 可科学指导Zr/Sc微合金化设计，降低实验成本的同时，有效实现微合金化改性。项目研究主要从以下四方面的展开：一是，析出相的结构与性能。项目研究基于实验结果，建构不同Sc/Zr比下的Al3ScxZr1-x相的模型。在超胞下考虑不等价掺杂位点，基于能量(结合能、生成焓)、弹性性能(杨氏模量、剪切模量、体弹模量、维氏硬度、泊松比等)，以及电子结构，确定系列Sc/Zr比下Al3ScxZr1-x相的稳定结构、热稳定性、强化特性及各向异性特征，剖析了Sc/Zr微合金化形核演化机制与析出强韧化机理。二是，析出相与基体的界面强化作用研究，基于界面分离功，界面强化润湿效应，与理论应力应变曲线，解析了不同Sc/Zr比下Al/Al3ScxZr1-x的静/动态界面特性及界面强韧化机理。三是，综合Al3ScxZr1-x相结构特性和Al/Al3ScxZr1-x界面特性，揭示了Al3ScxZr1-x相的析出形核特征和析出强韧化机理；在此基础上，将相与界面性质结合，分析了微合金相的析出形貌特征。Al3(Sc, Zr)的析出演化一方面基于Al3(Sc, Zr)相的形成放热，另一方面基于界面形成放热，两者共同了决定Al3(Sc, Zr)相的析出长大。研究结果表明，Al3(Sc, Zr)的析出长大为获得更低的能量，会导致形核核心与界面处的成份差异，从而诱导Al3(Sc, Zr)相的多层core-shell析出，且Al3(Sc, Zr)相倾向于以D023或D022的结构析出。四是，不同尺度析出相与基体的界面性能研究。考虑了微合金相的多尺度效应，通过设计不同厚度微合金相的界面模型，研究了微合金相在析出长大过程中对析出界面的作用机制，从理论上剖析析出相析出长大过程的多尺度效应规律，并指导实验合金成份设计。在此研究项目的资助下，研究团队发表学术论文19篇（其中项目主持人以第一作者或通讯作者发表论文7篇），另外主持人第一作者在审2篇，申请专利1项，合作出版专著1部，申请获批纵向相关课题1项。