镁合金枝晶生长及界面各向异性机理研究

Magnesium alloy is one of the lightest structural materials in present application. The primary dendritic microstructure (i.e. α-Mg dendrite), formed in solidification process, has a profound influence on the entire microstructure and mechanical property of magnesium alloy. Therefore, acquiring information on the three-dimensional (3-D) morphology and orientation selection of the α-Mg dendrite is of great importance to understand the forming mechanism and control the microstructure of magnesium alloy. However, the dendritic microstructure of magnesium alloy with hexagonal symmetrical structure is quite different from those metallic alloys with cubic symmetrical structure. To date, the forming mechanism and preferred growth direction of the α-Mg dendrite has not been clearly identified, which makes it difficult to understand the microstructure of magnesium alloy. In this project, the dendritic morphology and orientation selection of magnesium alloy will be investigated firstly by experimental characterization, as well as the effects of type and amount of the additional elements on the growth behavior of the α-Mg dendrite. Then, the orientation selection mechanism, along with the correlation between crystallographic anisotropy and the preferred growth direction of the α-Mg dendrite, will be revealed from the perspective of hexagonal-close-packed (hcp) atomic structure and surface energy anisotropy by performing first-principle calculations. Finally, an anisotropy function will be developed and coupled into the phase field model to achieve 3-D simulation of the α-Mg dendrite based on the knowledge of the dendritic microstructure. The project will have great significance on the dendrite growth theory, and offer an important theoretical and practical guidance for improving the microstructure and mechanical property of magnesium alloy.

镁合金是当前实际应用中最轻的金属结构材料之一，初生α-Mg枝晶作为镁合金的基体相，对镁合金材料整体的组织结构及力学性质具有重要的影响。因此，掌握α-Mg枝晶形貌和生长方向等信息对于镁合金枝晶的形成机理及组织控制意义重大。镁合金密排六方的晶体结构决定了其枝晶组织与立方结构的金属或合金有本质的不同。目前，镁合金枝晶的形成机理及择优取向仍不清楚，这使得从根本上获取镁合金微观组织结构信息非常有限。本项目将针对不同固溶元素的镁合金，首先通过实验表征的方法研究其α-Mg枝晶组织的三维形貌、生长方向及其影响因素。其次利用第一性原理计算的方法，从晶体学原子结构和表面能各向异性的角度揭示镁合金枝晶生长方向选择机理，探讨晶体学各向异性与α-Mg枝晶优先生长方向的关系。最后基于对α-Mg枝晶的认知，建立相应的各向异性函数，耦合至相场模型中实现镁合金枝晶的三维模拟，为改善镁合金凝固组织结构提供理论及实际指导作用。

镁合金因其低密度、高比强度和比刚度以及良好的减震和可循环再利用等优异特性而被誉为“21世纪的绿色工程材料”，广泛地应用于汽车、航空航天以及通讯电子设备等领域。α-Mg枝晶是镁合金在凝固过程中形成的一种重要组织，其大小、取向、形貌和分布等对于镁合金材料整体的使用性能具有重要的影响。本项目通过同步辐射x射线断层扫描和背散射电子衍射的实验表征技术研究了镁合金枝晶的三维形貌和生长方向，发现大多数镁合金Mg-X (X=Al, Ba, Ca, Sn, Y & Gd)的枝晶组织呈现出十八个主干分枝的三维形貌特征，分别沿着基面的<11-20>和非基面的<11-23>方向生长，而在Mg-Zn合金中发现随着Zn含量的增加，枝晶组织的三维形貌发生了从十八个主干分枝到十二个主干分枝的转变现象。将原子尺度的第一性原理计算和介观尺度的相场模拟方法相结合，系统地研究了镁合金枝晶组织的生长取向选择及三维形貌演变机理，发现镁合金枝晶是沿着表面能及其各向异性较大的方向优先生长。在此基础上，从晶体学各向异性的角度出发，探讨了镁合金中溶质组元的种类及含量变化对α-Mg枝晶生长取向选择的影响。基于各向异性表面能的第一性原理计算结果，定量确定得到了用于描述α-Mg枝晶沿不同方向生长倾向的各向异性强度，并将对应的各向异性函数模型耦合至相场模型中模拟研究了镁合金枝晶的生长行为，实现了镁合金枝晶组织的三维模拟研究。项目研究所获结果对于镁合金微观组织结构的调控和宏观力学性能的改善具有非常重要的理论指导意义和工程应用价值。