在拓扑结构紧密堆积的镁合金纳米片中解码复杂成分：一种实现稳定沉淀物的高通量方法

《Journal of Magnesium and Alloys》：Decoding complex compositions in topologically close-packed nanoplates of magnesium alloys: A high-throughput route to stable precipitates

镁合金中拓扑密排（TCP）纳米片的热力学形成机制及高通量筛选研究。通过密度泛函理论（DFT）计算构建凸包图，揭示了Mg-Zn合金中β2'纳米片的真实组成为Mg(Mg, Zn)2，澄清了其与平衡相MgZn2的结构相似性误区。同时，开发了整合热力学稳定性和动力学可行性的两步高通量筛选策略，在Mg-RE-Al等三元系统中发现43种新型稳定TCP相，指出Mg-稀土（RE）-铝系统是未来开发高蠕变强度镁合金的重点方向。该研究为原子级成分复杂TCP相的合金设计提供了理论基础。

　　镁合金因其轻质特性在航空航天和汽车工业中备受关注。随着对材料性能需求的提升，研究者们不断探索如何通过合金设计来增强其力学性能和高温抗蠕变能力。其中，一种重要的强化机制是通过形成共格的拓扑密堆积（TCP）纳米板来实现。这些纳米板不仅能够显著提升材料的强度，还能有效改善其在高温下的抗蠕变性能，因此成为开发高性能镁合金的关键研究方向。然而，对于某些非平衡态TCP纳米板的形成机制仍不明确，传统的试错方法在快速发现新型TCP强化镁合金方面存在局限。本文通过结合密度泛函理论（DFT）计算和高通量筛选策略，揭示了TCP纳米板的原子尺度组成复杂性，并为设计抗蠕变镁合金提供了理论依据。

在镁合金中，TCP纳米板通常以特定的晶体结构形式存在，如C14、C15和C36结构。这些结构在不同合金体系中展现出不同的稳定性，其中一些结构可能以非平衡态形式存在，如β'2相在Mg-Zn合金中的出现。此前，人们普遍认为β'2相与MgZn?相结构相似，因此将其视为平衡态相。然而，这种认识并未完全揭示其形成机制，尤其是在结构稳定性和组成复杂性方面。本文通过DFT计算构建了零温下的凸包图，以评估这些相的热力学稳定性。研究发现，β'2相的实际组成是Mg(Mg, Zn)?，其中含有过量的镁原子。这一发现不仅澄清了β'2相的非平衡性质，还解决了其结构与平衡态MgZn?相相似的长期困惑。

进一步研究显示，非平衡态TCP纳米板的形成往往涉及溶质原子的非均匀分布。在某些情况下，这些纳米板的结构会因为过量的溶质原子而表现出不同的组成特性。例如，在Mg-Nd-Ca三元合金中，β'2相的形成需要引入过量的Nd和Ca原子，从而形成具有复杂组成的Mg?(Nd, Mg, Ca)结构。这一发现表明，传统的热力学分析可能无法准确反映TCP纳米板的实际组成，因此需要引入更精确的热力学模型来评估其形成条件。

在热力学分析的基础上，本文还结合了动力学条件，提出了一种两步高通量筛选策略，用于系统性地识别能够形成稳定TCP纳米板的镁合金体系。首先，通过DFT计算构建的凸包图，可以识别出具有稳定结构的TCP相。其次，结合结构稳定性评估，可以进一步确定这些相在动力学条件下的形成可能性。这种策略在Mg-Zn、Mg-Nd-Ca等体系中得到了验证，并发现多个未报告的TCP相。研究还指出，当前开发TCP强化镁合金应主要关注Mg-RE(Ca)-Al体系，因为这些体系在热力学和动力学条件下更有利于TCP纳米板的形成。

此外，本文还探讨了TCP纳米板在镁基合金中的形成机制。在某些情况下，如Mg-Al-Ca合金中，稳定的TCP相如Al?Ca能够通过特定的热力学路径形成，并在老化过程中保持其结构特性。相比之下，非平衡态TCP纳米板的形成则受到动力学因素的显著影响，如非经典成核机制和溶质原子的分布。研究发现，TCP纳米板的形成往往需要较大的原子占据关键位置，而非较小的原子。因此，实验上观察到的TCP纳米板可能含有过量的基体元素，如镁原子。

本文还强调了实验技术在准确确定TCP纳米板组成中的重要性。传统的原子探针断层扫描（APT）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等技术在解析纳米板组成时存在一定的局限性，例如难以区分溶质原子和基体原子的来源。因此，有必要开发更精确的实验方法，以准确测量纳米板的组成，并进一步理解其热力学行为。研究还指出，TCP纳米板的形成不仅与合金体系有关，还受到老化温度、热处理历史等因素的影响。

通过上述研究，本文揭示了TCP纳米板在镁合金中的热力学和动力学形成机制，并提出了基于热力学和动力学条件的高通量筛选策略。这一策略不仅有助于识别具有潜在强化能力的镁合金体系，还为未来实验研究提供了方向。研究结果表明，当前镁合金的发展应重点关注Mg-RE(Ca)-Al体系，以开发具有优异高温抗蠕变性能的新型材料。此外，对于钛和锆基合金，由于其基体的硬度较高，TCP纳米板的形成并不如镁基合金那样理想，因此应继续以镁合金作为主要研究对象。