Mg-Y-Zn合金长周期堆垛有序相增强机理的第一原理研究

Mg-Y-Zn合金具有较高的力学强度与良好的高温抗蠕变性，被认为与合金组织中存在长周期堆垛有序(LPSO)相有关。微结构测试表明，因制备方法不同，Mg-Y-Zn合金中可生成三种构型的LPSO相，它们都是由a-Mg的完好区和(0002)层错构成的，z-衬度像分析显示Y和Zn原子仅富集在与层错关联的两个(0002)面上。由于不能确定Y和Zn原子的准确占位，至今未能对LPSO相的增强机理给出合理的解释。本立项拟以高分辨显微观察与原子成分测试为依据，建立LPSO相模型组态，通过第一原理计算，确定出最低能量的LPSO相组态，据此标定出Y和Zn原子的占位以及对周围局域范围内原子键合关系的影响，比较分析各LPSO相的强化作用，为研制具有高性能的Mg-RE-Zn合金提供理论依据。

Mg-Zn-Y合金中存在的长周期堆垛有序相能大幅度地提高镁合金的综合力学性能。尽管人们已认识到长周期堆垛有序相特有的层错堆垛有序及化学成分有序的特点，然而，由于尚未明确典型长周期堆垛有序相的微观结构、尚未建立可信的长周期堆垛有序相的晶体学模型，人们仍不能清楚理解潜藏在这种特殊结构背后的强化机制。借助第一原理计算模拟和实验分析，我们对Zn、Y元素在Mg基体层错层区域的分布状况及团簇化行为进行了准确描述。我们认为合金化元素Zn、Y在层错层区域的团簇化行为是形成长周期堆垛有序结构ABCA堆垛单元的主要原因，从而导致长周期堆垛有序相的形成。借助ZnmYn(Mg)团簇所构建ABCA堆垛单元，我们提出了可信的典型长周期堆垛有序结构14H相的晶体学模型，并明确了各原子坐标。其晶体学参数为：空间群 P63/mcm, a=b=11.168 Å, c=36.408 Å, α=β=90º, γ=120º。相比于近来其它国外研究组提出的长周期堆垛有序相模型，我们建立的模型处于更低的能量面。作为典型的由团簇Zn6Y8Mg构建的14H相Mg142Zn12Y16，其HAADF-STEM模拟像与实验HAADF观察像有很好一致性。研究同时表明，相对于三元相图稳定凸包相Mg、Mg24Y5及MgZnY，基于团簇Zn6Y8Mg、Zn6Y9、Zn7Y8、Zn6Y6 Mg 构建的14H相Mg142Zn12Y16 (Zn6Y8Mg)、Mg140Zn12Y18 (Zn6Y9)、Mg140Zn14Y16 (Zn7Y8) 和Mg146Zn12Y12 (Zn6Y6Mg)在0 K时均具有较好的稳定性；14H相可看作是稳定相，而非已有模型所认为的亚稳相，这一认识可以很好解释14H相在高温下的热力学稳定行为。在有限温度下，上述不同成分的14H相的稳定性会由于层错层区域构型熵和振动熵的贡献而得到增强。借助所构建的14H相Mg142Zn12Y16 (Zn6Y8Mg)晶体结构，我们计算得到了典型14H长周期堆垛有序相的弹性常数及弹性模量。14H相Mg142Zn12Y16杨氏模量计算值约为69 GPa，远高于Mg基体的50 GPa。我们认为14H相所具有的较高的杨氏模量，可以使其承担通过晶界传递的外加负载，从而提高镁合金的力学性能。上述研究清楚地描述了合金元素的团簇化行为及长周期堆垛有序相的微观局域结构，建立了可信的典型长周期堆垛有