劉林林， 孫鵬陽， 孫 威， 劉翠秀

(北京工業(yè)大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)與性能研究所， 北京 100124)

對于析出強化合金體系，其綜合力學(xué)性能與基體中析出相的形貌、空間分布、體積分?jǐn)?shù)及平均尺寸等密切相關(guān)[1-6]. 這些微觀結(jié)構(gòu)特征可以通過熱處理進(jìn)行調(diào)控，同時，它們在工業(yè)零部件的高溫使用過程中也會發(fā)生改變. 析出相的粗化過程就是在高溫環(huán)境下合金中的小尺寸析出相通過某種機制不斷形成大尺寸析出相的過程. 一般情況下，這個過程使得析出相的平均尺寸不斷增加，體積分?jǐn)?shù)不斷減小，并明顯改變析出相的整體形貌，最終使得析出相的強化作用大幅度降低，影響到合金綜合力學(xué)性能的改善. 因此，研究析出相的粗化過程以及此過程中相關(guān)析出結(jié)構(gòu)的形成和演變機制，可以為探索提高析出相抗粗化能力的方法提供必要的理論指導(dǎo).

在研究中，將首先通過HAADF-STEM成像技術(shù)表征Mg-Gd-Y合金中β′相的粗化過程以及形成的相關(guān)析出結(jié)構(gòu)，并結(jié)合第一性原理計算探討粗化過程中相關(guān)析出結(jié)構(gòu)的形成機制，然后進(jìn)一步通過實驗揭示這些伴生析出結(jié)構(gòu)的演變過程.

1 實驗和計算方法

1.1 實驗方法

實驗用Mg97Gd2Y1采用高純金屬Mg、Gd、Y (純度≥99.99%)，在高頻感應(yīng)爐中氬氣保護氣氛下反復(fù)多次熔煉而成. 熔煉后的鑄態(tài)樣品首先在530 ℃下固溶處理10 h，并在室溫的水中淬火，隨后在200 ℃下進(jìn)行不同時間的時效. 透射電鏡觀察樣品利用雙噴方法制備，電解液為15%硝酸，15%丙三醇和70%甲醇，電解溫度-20 ℃以下. HAADF-STEM觀察分別在Tecnai G2F20和帶有球差矯正器的FEI Titan G260-300電鏡上進(jìn)行，加速電壓分別為200、300 kV，使用的相機常數(shù)為100 mm，對應(yīng)的收集角范圍為76～200 mrad.

1.2 計算方法

本研究利用VASP軟件包進(jìn)行能量最小化計算，使用綴加平面波方法構(gòu)建贗勢，電子交換關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似(generalized gradient approximation，GGA)中的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)函數(shù)來描述. 計算過程中，考慮Mg的3s2價電子，Gd的5p65d16s2價電子，Y的4s24p64d15s2價電子，波函數(shù)的截斷能設(shè)置350 eV. 各個析出結(jié)構(gòu)的原子模型使用Methfessel-Paxton方法(smearing寬度為0.2 eV)進(jìn)行離子弛豫，并使用帶有Bl?chl修正的四面體方法確定總能，體系總能量收斂值取10-5eV，每個離子上的力低于30 meV/nm. 使用靜水壓模擬作用在伴生析出結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力. 析出結(jié)構(gòu)的平均形成焓定義

(1)

式中：Hc為析出結(jié)構(gòu)平均形成焓;H(Mgm-nREn)為包含n個RE原子析出結(jié)構(gòu)的總焓；H(Mgm)為包含m個Mg原子單胞的總焓；H(Mg1)為平均每個Mg原子的焓；H(RE1)為平均每個RE原子的焓.

平均形成焓表示析出結(jié)構(gòu)在一定應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性. 為了直觀反映伴生析出結(jié)構(gòu)相對于β′相的穩(wěn)定性隨所受應(yīng)力的變化情況，定義相對焓差

ΔHc=Hc(P)-Hc(β′)

(2)

式中：Hc(P)為伴生析出結(jié)構(gòu)平均形成焓;Hc(β′)為β′相平均形成焓.

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 β′相的粗化過程及其相關(guān)析出結(jié)構(gòu)

圖1 Mg-Gd-Y合金β′相粗化過程中析出結(jié)構(gòu)的演變Fig.1 Evolution of precipitation structures during β′ phase coarsening in Mg-Gd-Y alloy

圖2 與β′相粗化過程相關(guān)的析出結(jié)構(gòu)(、β″、βM)Fig.2 Associated precipitation structures (, β″, and βM) involved in the coarsening process of β′ phase

2.2 相關(guān)析出結(jié)構(gòu)的形成機制探討

圖3 β′相及其相關(guān)和β″析出結(jié)構(gòu)的HAADF-STEM圖Fig.3 HAADF-STEM image of β′ phase and its associated and β″ precipitation structures

圖4 β′相及其相關(guān)和β″析出結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù)Fig.4 Lattice parameters of β′ phase and its associated and β″ precipitation structures

表1 β′、和β″相相對于其無應(yīng)力作用時晶格常數(shù)的變化Table 1 Percent changes of lattice constants a and b for β′, and β″ precipitates formed in the Mg-Gd-Y alloy with respect to those without influence by stress field

圖5 β′相及其相關(guān)和β″析出結(jié)構(gòu)晶格參數(shù)的測量Fig.5 Measurement of lattice parameters of β′ phase and its associated and β″ precipitation structures

表2 βM和β″相相對于其無應(yīng)力作用時晶格常數(shù)的變化Table 2 Percent changes of lattice constants (a and b) for βM and β″ precipitates formed in the Mg-Gd-Y alloy with respect to those without influence by stress field

圖6 β′相及其相關(guān)βM和β″析出結(jié)構(gòu)的HAADF-STEM圖Fig.6 HAADF-STEM image of β′ phase and its associated βM and β″ precipitation structures

圖7 βM和β″析出結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù)Fig.7 Lattice parameters of βM and β″ precipitation structures

圖8 βM和β″析出結(jié)構(gòu)晶格參數(shù)的測量Fig.8 Measurement of lattice parameters of and β″ precipitation structures

圖9 析出結(jié)構(gòu)的平均形成焓以及相對于β′相的焓差隨壓應(yīng)力變化的曲線Fig.9 Curves of average formation enthalpy for the precipitates and their enthalpy difference relative to the β′ as a function of compressive stress

2.3 相關(guān)析出結(jié)構(gòu)的演變過程

圖10 β″相通過擴散可以轉(zhuǎn)變?yōu)橄?、βM相Fig.10 Illustrations of the structural transition from β″ phase to pahse or to βM phase

圖11 相的內(nèi)部會出現(xiàn)位錯，且位錯上形成細(xì)小的富稀土原子簇Fig.11 Dislocations appeared inside the phases and small RE-clusters located on the dislocations

圖12 Mg-Gd-Y合金中β相的尺寸、形貌和數(shù)量密度隨時效進(jìn)行的變化趨勢Fig.12 Variation of size, morphology and distribution for β phase formed in the Mg-Gd-Y alloy with aging progressing

3 結(jié)論

運用原子分辨的HAADF-STEM成像技術(shù)結(jié)合第一性原理計算的方法，研究了Mg-Gd-Y合金中β′相的粗化過程及其相關(guān)析出結(jié)構(gòu)的形成和演變機制.