镁钇合金晶界偏聚行为的实验表征与原子模拟：揭示晶界取向无关性的关键机制

《Journal of Magnesium and Alloys》：Experimental characterization and atomistic simulation of grain boundary segregation in Mg-Y alloys

本研究针对Mg-Y合金中Y元素晶界偏聚行为与晶界取向角的关系这一长期争议问题，通过STEM-EDS实验表征结合谱系原子模拟方法，系统研究了Mg-1wt.%Y和Mg-7wt.%Y合金在不同热处理条件下的偏聚特征。研究发现Y在晶界的偏聚强度与晶界取向角无显著相关性，这一结论为理解镁合金再结晶织构弱化机制提供了新视角。

　　

镁作为最轻的结构金属，其力学性能可通过添加稀土元素如钇(Y)显著提升。然而，镁合金的成形性受限于其六方密排(HCP)结构固有的变形模式限制和强烈的织构形成。有趣的是，Y的加入不仅能同时提高镁合金的强度和延展性，还能弱化其织构，这被认为与Y在晶界(GB)等晶体缺陷处的偏聚行为密切相关。尽管前人研究提出了晶界偏聚强度与取向角相关的假设，但缺乏系统性实验验证，且原子尺度机制尚不明确。

为深入理解这一问题，来自中国的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表了创新性研究。研究人员采用聚焦离子束(FIB)制备样品，结合扫描透射电子显微镜(STEM)和能谱分析(EDS)，系统表征了Mg-1Y和Mg-7Y合金中Y在不同取向晶界的偏聚行为。同时，他们开发了基于热力学积分(TI)和机器学习(ML)的谱系原子模拟方法，计算了37种对称倾斜晶界(STGB)的偏聚自由能谱ΔF^seg
。

关键技术包括：(1)通过电子背散射衍射(EBSD)定位特定取向晶界；(2)FIB制备含三叉晶界的薄膜样品；(3)STEM-EDS定量分析Y偏聚浓度分布；(4)采用LAMMPS软件和MEAM势函数进行分子静力学(MS)模拟；(5)热力学积分法计算有限温度偏聚自由能；(6)机器学习预测全谱系偏聚行为。研究使用了加拿大CanmetMATERIALS提供的挤压态Mg-Y合金样品。

研究结果部分：

1. 挤压态微观结构
   EBSD分析显示两种合金均呈现完全再结晶组织，晶粒尺寸50-70μm，具有弱基底织构，证实Y确实具有织构弱化效果。

2. 挤压态合金中的晶界偏聚
   STEM-HAADF成像和EDS图谱显示，在Mg-1Y(0.28at.%Y)和Mg-7Y(2.0at.%Y)中均观察到显著的Y晶界偏聚，峰值浓度分别达3.0at.%和4.0at.%。高分辨图像揭示Y原子在晶界形成团簇而非连续分布。

3. 不同取向角晶界的偏聚
   对15个不同取向晶界的统计分析发现，Y的富集比平均为2.16±0.36，与取向角无显著相关性。这一结果与Pei等在Mg-Mn-Nd合金中的发现一致，但否定了取向角依赖性的传统假设。

4. 热处理后的晶界偏聚
   540°C高温退火后，Mg-7Y中Y偏聚仍然保持；而177°C长期退火使Mg-7Y在晶界析出Mg₂₄
   Y₅
   相，但Mg-1Y偏聚浓度不变，表明低温下扩散限制显著。

5. 原子模拟
   谱系模型预测显示，在μm级晶粒中，800K时Y的平均晶界浓度约6at.%，与实验结果吻合。值得注意的是，不同STGB的ΔF^seg
   谱在高温下趋于均一化，导致偏聚强度与取向角无关，仅在与孪晶界接近的特定取向(如[101ˉ0]55°)出现轻微偏差。

研究结论指出，Y在镁合金晶界的偏聚具有三个关键特征：(1)偏聚强度与整体Y浓度呈弱相关性；(2)高温处理形成的偏聚态在室温测量中得以保持；(3)偏聚行为与晶界取向角无关。这一发现修正了"取向角依赖性偏聚导致各向异性晶界迁移"的传统观点，为理解镁合金织构弱化机制提供了新视角。原子模拟建立的TI+ML+谱系方法能准确预测高温平衡偏聚状态，为合金设计提供了可靠工具。

该研究不仅解决了镁合金领域长期存在的科学争议，其开发的跨尺度研究方法还可推广至其他合金体系。未来工作需要进一步探究三叉晶界等特殊缺陷位置的偏聚行为，以及偏聚对晶界迁移动力学的定量影响。这些发现对开发高性能镁合金具有重要意义，特别是在汽车轻量化和生物可降解植入体等应用领域。