镁锌钇三元体系中长周期堆垛有序相的热力学建模与固溶机制研究

本研究针对Mg-Zn-Y合金中长周期堆垛有序（LPSO）相的非化学计量特性与热力学描述难题，通过实验测定18R、14H和10H相的固溶范围，结合四亚晶格模型和第一性原理计算，重构了LPSO相的热力学参数。研究成功再现了500°C等温截面与液相投影，为设计高性能镁合金提供了精准的相图数据库，解决了传统化学计量模型无法描述(14H+18R)双相区的关键问题。

　　

镁合金因其轻量化、高比强度等特性，在航空航天和生物医学领域备受关注，但其较差的塑性严重制约了应用。这一缺陷源于镁的六方密排（hcp）结构在室温下可启动的滑移系较少。2001年，Kawamura团队开发的Mg₉₇Zn₁Y₂合金通过形成长周期堆垛有序（LPSO）相，展现出610 MPa的高屈服强度，揭示了LPSO相通过阻碍孪晶生长提升性能的机制。然而，LPSO相的强化效果与其类型、体积分数密切相关，而传统热力学模型将14H/18R相描述为Mg₁₂ZnY等化学计量化合物，无法解释实验中观察到的显著固溶现象，导致相图预测偏差。

北京科技大学的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表研究，通过制备Mg₉₅Zn₂Y₃等四种合金，结合电子探针微区分析（EPMA）测定18R相在Mg₈₀Zn₅Y₁₅和Mg₉₅Zn₂Y₃中的成分分别为Mg-8.27Zn-12.23Y和Mg-6.01Zn-8.31Y（at.%），证实了LPSO相的非化学计量特性。基于(Zn₆Y₈Mg)团簇中Mg原子对Zn/Y的协同置换机制，团队采用四亚晶格模型重构了18R、14H和10H相的热力学参数，优化后的计算结果与文献报道的生成焓和熵高度吻合。

实验方法
研究通过感应熔炼制备合金样品，经500°C长期均衡处理后，利用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征相组成，结合EPMA测定固溶成分。热力学参数优化采用Pandat软件，基于第一性原理计算的理想结构模型（如18R相为Mg₅₈(Zn₆Y₈Mg)）进行亚晶格配置。

结果与讨论

1. 固溶特性：实验发现18R相在富镁（Mg₉₅Zn₂Y₃）和贫镁（Mg₈₀Zn₅Y₁₅）合金中呈现显著成分差异，证实固溶度与整体成分相关。
2. 模型构建：将LPSO相描述为(Mg,Y,Zn)₄四亚晶格化合物，每个(Zn₆Y₈Mg)团簇中Zn/Y原子对可被Mg原子对置换，从而解释固溶现象。
3. 相图验证：计算的500°C等温截面准确再现了(14H+18R)双相区，液相投影与文献数据一致，证实模型可靠性。

结论与意义
该研究首次将LPSO相的热力学描述从化学计量化合物拓展至固溶体模型，解决了传统模型无法预测多相共存的关键问题。优化的Mg-Zn-Y数据库为通过CALPHAD（计算相图）方法设计含特定LPSO相的合金提供了工具，有望推动高强韧镁合金的开发。研究还揭示了(Zn₆Y₈Mg)团簇的原子置换机制，为理解LPSO相的结构-性能关系奠定基础。