镁科研：稀土镁合金β相生长研究

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研究背景

稀土镁合金的高强度离不开含稀土析出相，因此含稀土析出相是近年稀土镁合金的研究热点。近年，关于Mg-Gd-(Y)-TM（过渡元素：Zn、Ni、Cu等）合金中析出相的形核及和生长的研究较多，其时效序列已经基本清楚。其中，β'相因是重要的强化相之一，而格外受到关注。相比之下，β相的研究要少很多。随着透射电镜表征技术和计算材料学的发展，有望对β相进行进一步的深入研究并获得新的认识，本论文的研究就是在此基础上开展的。

最近，上海交通大学陈彬高级工程师等人通过电镜表征和第一性原理计算，深入探讨了Mg₉₆Gd₂Y₁Ni₁合金中β相的生长和界面结构。研究发现β相在时效过程中在表面形成β/β、β/β'、β/Mg三种相界面。在β/Mg相界面中，其中β/Mg1界面结构最为稳定，具有最高的分离功和最低的界面能。本研究的发现为开发具有高强度镁合金材料提供了理论支持和实验依据，具有重要的学术意义和应用价值。

图文导读

本文通过实验和第一性原理研究了Mg₉₆Gd₂Y₁Ni₁合金中的β相生长，旨在深入探讨合金中β相的微观结构和生长机制。图1展示了不同时效时间下Mg₉₆Gd₂Y₁Ni₁合金中β相的形态和分布。图1(a)和(b)显示，4小时和53小时时效样品中的β相呈现矩形。图1(c)进一步放大显示了新的β相从原来的β相表面上直接生长，未经过亚稳态结构，在局部形成了阶梯状结构。图1(e)和(g)展示了β'相和β_H结构在β相边缘的析出生长。随着时效时间延长，β相的长度显著增加，表明β相的生长主要发生在长度方向。

图1 (a) 和 (b)：不同方向上β相在基体和β相的能谱结果中的分布；(c)：新β相从原来的β相表面上生长；(d)：β相表面生长形成的台阶；(e) 和 (g)：β'相和β_H结构在β相的析出；(f)：β/Mg界面

图2展示了β/Mg界面的三种可能结构（A, B, C），通过比较不同假设界面的自由能，确定β/Mg1界面具有最低的界面能和最大的分离能(W_sep)，表明其结构最稳定。图2(a)和(b)显示了界面处Gd和Mg原子的排列，图2(c)和(d)显示了界面的左视图。结果表明，在β/Mg1界面中，Gd和Mg原子形成的离子键和弱金属键的组合使其更为稳定。

图2 (a)：β/Mg1结构；(b)：β/Mg2结构；(c)：β/Mg1结构的左视图；(d)：β/Mg2结构的左视图

图3展示了不同β/Mg界面结构的分离功计算结果。β/Mg1界面的分离功（2.89 J/m²）高于其他结构，意味着其更难分离，更为稳定。分离能的计算结果进一步验证了β/Mg1界面比β/Mg2界面更为稳定。

图3 (a)：不同β/Mg1结构的分离功；(b)：不同β/Mg2结构的分离功

β/Mg界面结构的差分电荷密度和分波态密度(PDOS)结果分别显示在图4和图5中。图4(a)显示，在β/Mg1界面中，Gd原子失去电子形成正离子，Mg原子吸收电子形成负离子，表明界面处存在强离子键。图4(b)显示，β/Mg2界面中，Mg和Gd原子之间主要形成金属键，离子键较弱。差分电荷密度分析表明，β/Mg1界面的键合强度高于β/Mg2界面。图5(a)显示，在β/Mg1界面中，Mg的p带与Gd的p和d带在-2 eV至2 eV范围内重叠，表明强离子键和弱金属键共存。而在图5(b)中，β/Mg2界面的PDOS主要在正能量部分重叠，表明主要形成强金属键和弱离子键。PDOS的分析结果进一步支持了β/Mg1界面的键合强度高于β/Mg2界面。

图4 (a)：β/Mg1界面的差分电荷密度；(b)：β/Mg2界面的差分电荷密度

图5 (a)：β/Mg1界面的分波态密度；(b)：β/Mg2界面的分波态密度

结论与展望

通过电镜表征和第一性原理计算，本文深入探讨了Mg₉₆Gd₂Y₁Ni₁合金中β相的生长和界面结构。研究发现，β相在时效过程中在表面形成β/β、β/β'、β/Mg三种相界面：β'相和β_H结构在β相的边缘析出，形成特殊的界面结构；在原来的β相表面生长出新的β相，其初期形成阶梯状结构；β相和基体形成界面时，β/Mg1界面的结构最为稳定，具有最高的分离能和最低的界面能，差分电荷密度和分波态密度分析进一步证实了β/Mg1界面中离子键和金属键的组合使其更为稳定。本研究的发现不仅丰富了镁合金的基础研究，还为开发具有高强度镁合金材料提供了理论支持和实验依据，具有重要的学术意义和应用价值。

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