Mg-Gd-Y合金中与β′相粗化相关的析出结构

刘林林， 孙鹏阳， 孙 威， 刘翠秀

(北京工业大学固体微结构与性能研究所， 北京 100124)

对于析出强化合金体系，其综合力学性能与基体中析出相的形貌、空间分布、体积分数及平均尺寸等密切相关[1-6]. 这些微观结构特征可以通过热处理进行调控，同时，它们在工业零部件的高温使用过程中也会发生改变. 析出相的粗化过程就是在高温环境下合金中的小尺寸析出相通过某种机制不断形成大尺寸析出相的过程. 一般情况下，这个过程使得析出相的平均尺寸不断增加，体积分数不断减小，并明显改变析出相的整体形貌，最终使得析出相的强化作用大幅度降低，影响到合金综合力学性能的改善. 因此，研究析出相的粗化过程以及此过程中相关析出结构的形成和演变机制，可以为探索提高析出相抗粗化能力的方法提供必要的理论指导.

在研究中，将首先通过HAADF-STEM成像技术表征Mg-Gd-Y合金中β′相的粗化过程以及形成的相关析出结构，并结合第一性原理计算探讨粗化过程中相关析出结构的形成机制，然后进一步通过实验揭示这些伴生析出结构的演变过程.

1 实验和计算方法

1.1 实验方法

实验用Mg97Gd2Y1采用高纯金属Mg、Gd、Y (纯度≥99.99%)，在高频感应炉中氩气保护气氛下反复多次熔炼而成. 熔炼后的铸态样品首先在530 ℃下固溶处理10 h，并在室温的水中淬火，随后在200 ℃下进行不同时间的时效. 透射电镜观察样品利用双喷方法制备，电解液为15%硝酸，15%丙三醇和70%甲醇，电解温度-20 ℃以下. HAADF-STEM观察分别在Tecnai G2F20和带有球差矫正器的FEI Titan G260-300电镜上进行，加速电压分别为200、300 kV，使用的相机常数为100 mm，对应的收集角范围为76～200 mrad.

1.2 计算方法

本研究利用VASP软件包进行能量最小化计算，使用缀加平面波方法构建赝势，电子交换关联能采用广义梯度近似(generalized gradient approximation，GGA)中的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)函数来描述. 计算过程中，考虑Mg的3s2价电子，Gd的5p65d16s2价电子，Y的4s24p64d15s2价电子，波函数的截断能设置350 eV. 各个析出结构的原子模型使用Methfessel-Paxton方法(smearing宽度为0.2 eV)进行离子弛豫，并使用带有Blöchl修正的四面体方法确定总能，体系总能量收敛值取10-5eV，每个离子上的力低于30 meV/nm. 使用静水压模拟作用在伴生析出结构上的应力. 析出结构的平均形成焓定义

(1)

式中：Hc为析出结构平均形成焓;H(Mgm-nREn)为包含n个RE原子析出结构的总焓；H(Mgm)为包含m个Mg原子单胞的总焓；H(Mg1)为平均每个Mg原子的焓；H(RE1)为平均每个RE原子的焓.

平均形成焓表示析出结构在一定应力作用下的稳定性. 为了直观反映伴生析出结构相对于β′相的稳定性随所受应力的变化情况，定义相对焓差

ΔHc=Hc(P)-Hc(β′)

(2)

式中：Hc(P)为伴生析出结构平均形成焓;Hc(β′)为β′相平均形成焓.

2 实验结果及讨论

2.1 β′相的粗化过程及其相关析出结构

图1 Mg-Gd-Y合金β′相粗化过程中析出结构的演变Fig.1 Evolution of precipitation structures during β′ phase coarsening in Mg-Gd-Y alloy

图2 与β′相粗化过程相关的析出结构(、β″、βM)Fig.2 Associated precipitation structures (, β″, and βM) involved in the coarsening process of β′ phase

2.2 相关析出结构的形成机制探讨

图3 β′相及其相关和β″析出结构的HAADF-STEM图Fig.3 HAADF-STEM image of β′ phase and its associated and β″ precipitation structures

图4 β′相及其相关和β″析出结构的晶格参数Fig.4 Lattice parameters of β′ phase and its associated and β″ precipitation structures

表1 β′、和β″相相对于其无应力作用时晶格常数的变化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

图5 β′相及其相关和β″析出结构晶格参数的测量Fig.5 Measurement of lattice parameters of β′ phase and its associated and β″ precipitation structures

表2 βM和β″相相对于其无应力作用时晶格常数的变化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

图6 β′相及其相关βM和β″析出结构的HAADF-STEM图Fig.6 HAADF-STEM image of β′ phase and its associated βM and β″ precipitation structures

图7 βM和β″析出结构的晶格参数Fig.7 Lattice parameters of βM and β″ precipitation structures

图8 βM和β″析出结构晶格参数的测量Fig.8 Measurement of lattice parameters of and β″ precipitation structures

图9 析出结构的平均形成焓以及相对于β′相的焓差随压应力变化的曲线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 相关析出结构的演变过程

图10 β″相通过扩散可以转变为相、βM相Fig.10 Illustrations of the structural transition from β″ phase to pahse or to βM phase

图11 相的内部会出现位错，且位错上形成细小的富稀土原子簇Fig.11 Dislocations appeared inside the phases and small RE-clusters located on the dislocations

图12 Mg-Gd-Y合金中β相的尺寸、形貌和数量密度随时效进行的变化趋势Fig.12 Variation of size, morphology and distribution for β phase formed in the Mg-Gd-Y alloy with aging progressing

3 结论

运用原子分辨的HAADF-STEM成像技术结合第一性原理计算的方法，研究了Mg-Gd-Y合金中β′相的粗化过程及其相关析出结构的形成和演变机制.