镁科研:Mg-Ni-Y体系富镁角处LPSO相平衡的热力学评估

来自: JMACCMg 收藏 邀请

镁合金是最轻的结构材料之一,因其较高的比强度、刚度和良好的阻尼性能,具有巨大的减重和减少碳排放的潜力。但镁合金绝对强度低、加工能力差等缺点限制了其广泛的应用,而围绕关键相的相稳定和相变基础科学问题尚未厘清,已成为进一步提升镁合金性能的瓶颈。与钢和铝相比,镁合金相图研究严重滞后,缺乏系统的二元、三元和多元相图研究,以及对应的热力学数据库。近年来,研究者发现稀土元素和过渡金属元素的同时添加可以形成一种新型强化相,同时提高合金的强度和塑性,称之为长周期有序堆垛相(Long Period Stacking Ordered Phase,LPSO)。然而LPSO相的结构和成分相似性导致其相平衡复杂。因此,利用CALPHAD方法构建LPSO相平衡的热力学描述,对于有效地设计开发高强韧镁合金具有重要意义。

最近,上海大学罗群教授和李谦教授等人以Mg-Ni-Y体系为研究对象,采用平衡合金法确定四种14H(Mg93Ni3Y4)、18R(Mg88Ni5Y7)、10H(Mg86Ni6Y8)和12R(Mg72Ni12Y16)类型的LPSO相关系(图1a)。通过第一性原理计算不同LPSO相的生成焓,利用CALPHAD方法构建了自洽的Mg-Ni-Y体系富镁角的热力学描述,为后续设计开发高强韧镁合金提供了理论基础。

本文首先建立Mg-Ni-Y体系不同LPSO相的结构模型,并对其进行晶体结构优化,LPSO相在结构优化的过程中仅仅Ni6Y8原子团簇发生收缩,Ni和Y原子会向团簇中心位置移动,而其余Mg原子几乎没移动,如图1b所示。14H、18R和10H的计算生成焓值依次降低,分别为-9.14、-9.65和-11.22 kJ/mol·atom,12R的计算生成焓值是-9.43 kJ/mol·atom,并将其作为后续优化热力学参数的初始数值。

图1 LPSO相的理想成分和实际成分以及不同LPSO相的晶体结构

本文对存在争议的相区进行重新布点,采用平衡合金法确定真实的相平衡。值得注意的是,Mg80.0Ni4.6Y15.4合金中存在一种全新的物相t相。同12R物相的晶体结构对比发现,12R和t相的堆垛顺序都是ABCACABCBCAB,t相12层的面间距是3.252 nm和12R的3.182 nm接近,t相基面的面间距相对于12R增加0.006 nm。同时,t相相对于12R包含更高的Ni和Y原子含量,因此可判断t相是12R相晶格畸变所形成的一种亚稳相,如图2所示。

图2 12R和t相的晶体结构对比

对比6种不同合金在375 °C和425 °C温度下的平衡组织发现,10H在425 °C下转变成18R,可以确定的相平衡分别是18R+Mg24Y5+Mg、18R+10H+Mg24Y5、 Mg2Ni+18R+MgNi4Y、18R+14H+Mg2Ni和10H+12R+Mg24Y5,如图3所示。值得注意的是,Mg87.9Ni10.5Y1.6 和Mg90.3Ni4.1Y5.6 合金在425 °C退火后的组织依旧是Mg+Mg2Ni+14H和Mg+Mg2Ni+18R,两种相平衡只能存在一种,另外一种必然是亚稳的。造成这种现象的原因是18R和14H之间结构和成分的相似性以及两种之间的相转变驱动力较小。

图3 布点合金在425 °C下的微观组织

采用化学计量比模型描述LPSO相,其化学计量比分别是14H(Mg91Ni4Y5)、18R(Mg87Ni5Y8)、10H(Mg85Ni6Y9)和Mg77Ni8Y15(12R)。基于第一性原理计算结果和实验测定的相平衡,最终优化出Mg-Ni-Y体系热力学描述。图4显示了14H作为稳定相时的等温截面相图。

图4 14H为稳定相的计算相图

综上所述,本研究采用第一性原理计算和平衡合金法,研究Mg-Ni-Y体系富镁角的LPSO相平衡关系,利用CALPHAD方法构建两套LPSO相平衡的热力学描述。厘清LPSO相关系以及相图的构建为后续设计开发高强韧镁合金提供了理论基础。

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本文作者2023-5-29 14:38
镁途
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