溶质偏聚调控铝合金中β-Mg2Si/α-Al界面原子构型及其对异相成核的诱导机制

为解决铝合金中β-Mg2Si相界面行为不明及异相成核调控难题，研究人员通过HAADF-STEM原子成像与DFT计算，首次揭示了Si终止的{100}界面层结构及Zr/Zn/Cu溶质偏聚机制，发现其可稳定立方-立方取向关系并诱导Al3Zr和T相异相析出，为多组分铝合金界面工程提供新策略。

　　

在铝合金研发领域，β-Mg₂Si相作为常见金属间化合物，其界面行为直接影响材料力学性能。传统研究多聚焦于β-Mg₂Si本征特性，却忽视了多组分合金中溶质元素与界面的交互作用——这一“盲区”导致材料设计时难以精准调控异相成核过程。尤其在高性能“跨界合金”（crossover alloy）中，Zr、Zn等元素如何通过界面偏聚影响β-Mg₂Si的取向关系演变及后续析出行为，成为制约材料性能优化的关键科学问题。

针对这一挑战，中国科学院金属研究所等机构的研究团队在《Scripta Materialia》发表突破性成果。通过结合高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）原子尺度观测与密度泛函理论（DFT）计算，首次解析了β-Mg₂Si/α-Al界面的原子构型与溶质偏聚规律，揭示了其诱导异相析出的物理机制。研究采用Al-7Mg-2Zn-0.35Si-0.15Zr-0.1Cu（wt.%）模型合金，通过两步均质化处理（400°C/12h +470°C/12h）制备样品，利用原子分辨率EDS mapping和第一性原理计算定量分析界面化学环境。

原子尺度界面构型解析
HAADF-STEM沿[001]_Al和[110]_Al双轴观测表明，β-Mg₂Si与铝基体呈现罕见的立方-立方取向关系（[001]_β//[001]_Al），界面终止于Si原子层而非传统认知的Mg层。测量显示2d{020}_Mg2Si≈3d{020}_Al的晶格匹配关系，但界面处存在三原子层重构区（间距1.19-1.51?），形成周期性“空位”结构以缓解晶格失配。

溶质偏聚的热力学机制
DFT计算表明：Zr在界面Al侧M1层的偏聚能低至-0.83 eV，而Zn/Cu更易占据β-Mg₂Si侧的P1层（ΔE<-0.65 eV）。这种分层偏聚导致界面形成“化学钉扎”效应——Zr偏聚驱动Al₃Zr在界面成核，形成连续“壳层”结构；而Zn/Cu的周期性偏聚（每5.45?出现浓度波动）则通过降低形核势垒诱导T-(Al,Zn,Cu)₄₉Mg₃₂相析出。

异相成核的微观调控
溶质偏聚显著改变了传统相变路径：1）Al₃Zr“壳层”将β-Mg₂Si/Al界面错配度从8.7%降至0.7%，阻碍了立方-立方取向向Kanno关系的转变；2）界面处形成具有反常{100}反相界面的长条状Al₃Zr（弹性应变能降低0.4 eV）；3）短时时效（120°C/1h）即可触发T相优先在界面析出，证实化学驱动力的主导作用。

该研究首次建立了“溶质偏聚-界面构型-异相成核”的定量关联，为铝合金界面工程提供了理论新范式。通过调控Zr/Si比值或冷却速率改变偏聚动力学，可定向设计界面结构以优化析出相分布。这一机制不仅适用于Al-Mg-Zn系合金，对开发高强韧镁/钛合金的界面调控策略同样具有启示意义。研究揭示的原子尺度化学有序化现象，为理解多组元合金中复杂的相变路径提供了普适性方法学框架。