Mg-Y-Zn合金中簇状排列层的形成机制：基于密度泛函理论的研究

《Journal of Magnesium and Alloys》：Formation mechanism of cluster-arranged layers in Mg-Y-Zn alloy: A density functional theory study

本文通过密度泛函理论计算，分析了Y和Zn原子在α-Mg的I?-SF层错中的共沉淀行为，揭示了其促进集群排列层（CAL）形成的机制。研究发现，CAL的形成依赖于Shockley部分位错的同步迁移与原子共沉淀，层错能垒（GSFE）的显著变化驱动位错扩展，而原子团簇的逐步生长进一步稳定了I?-SF结构，从而提升材料的强度和高温蠕变性能。

　　### 材料科学中的新发现：I?型堆垛层和簇的协同作用

在材料科学领域，研究金属材料的微观结构及其对宏观性能的影响始终是核心课题之一。镁（Mg）因其轻质、高比强度等特性，被视为未来轻量化材料的有力候选者，尤其在交通运输行业具有广阔的应用前景。然而，与高强度铝合金等材料相比，纯镁的强度仍然不足，因此，如何通过调控其微观结构来提升其机械性能成为关键。近年来，科学家发现了一种名为“长周期堆垛有序”（LPSO）的特殊相，该相在Mg合金中表现出显著的强度和延展性提升。LPSO相的形成依赖于镁基体中引入的I?型堆垛层（I?-SF）以及在这些堆垛层中形成的L1?型簇结构。这种结构的出现通常需要较高的添加剂含量，例如钇（Y）和锌（Zn），而这些元素的价格较高，限制了其在工业中的广泛应用。

为了解决这一问题，研究者开始关注一种被称为“簇排列层”（CAL）的结构。CAL结构在稀释的Mg合金中表现出较强的强化效果，即使在较低的添加剂含量下也能有效提升材料性能。这种结构的形成机制仍不完全清楚，尤其在高温变形过程中，CAL的动态形成过程及其与堆垛层和位错行为之间的关系尚需进一步探讨。本文通过密度泛函理论（DFT）计算，深入分析了Y和Zn原子在I?-SF和基底边位错中的协同聚集行为，以及这种聚集如何影响堆垛层的稳定性，从而形成CAL结构。

### 基于DFT的模拟方法与分析模型

为了研究Y和Zn在I?-SF中的聚集行为，研究团队采用DFT计算方法，构建了两种不同的模型：一种是包含48个Mg原子的体心六方密堆积（hcp）模型，另一种是包含216个Mg原子的堆垛层模型。在这些模型中，Y和Zn原子被逐步引入，以模拟其在堆垛层中的稳定聚集顺序。通过比较不同位置的聚集能量，确定了最稳定的聚集位点。此外，研究还关注了位错核心区域的聚集行为，构建了厚度不同的模型，以探讨不同厚度下聚集行为的差异。

在体心六方密堆积模型中，Y和Zn的聚集行为被详细分析，发现Y的聚集能量高于Zn，表明Y在I?-SF中的稳定性更强。然而，随着聚集过程的进行，Zn原子也逐渐参与其中，并在一定阶段形成L1?型簇结构。值得注意的是，Y和Zn的聚集顺序并不固定，而是根据能量最低的原则动态调整。这种动态调整使得Y和Zn原子能够在不同的位点形成有序结构，从而增强堆垛层的稳定性。

### 协同聚集与L1?型簇的形成

在I?-SF中，Y和Zn的协同聚集行为显示出明显的阶段性变化。在最初的几个聚集步骤中，聚集能量相对较低，表明Y和Zn原子在堆垛层中的吸附并不完全稳定。然而，随着聚集原子数量的增加，聚集能量开始逐步上升，显示出稳定的增长趋势。这一现象表明，随着簇的形成，Y和Zn原子之间的相互作用逐渐增强，使得簇结构更加稳定。最终，在第13次聚集时，研究团队成功形成了一个L1?型簇，其结构与文献中报道的类似。

为了进一步确认L1?型簇的形成机制，研究团队还分析了不同聚集步骤下结构的变化。在第13次聚集后，Y和Zn原子的分布呈现出明显的有序性，其中Y原子占据中心位点，而Zn原子则分布在周围。这种结构变化不仅体现在原子的位置上，还体现在能量的变化中。随着簇的形成，堆垛层的不稳定性逐渐降低，表明Y和Zn的协同聚集对堆垛层的稳定起到了关键作用。

### 堆垛层稳定性与位错行为的关联

在研究过程中，研究团队还分析了堆垛层的稳定性变化及其对位错行为的影响。通过计算通用堆垛层能量（GSFE）曲线，发现随着Y和Zn的聚集，GSFE曲线发生了显著变化。在最初的聚集阶段，GSFE曲线的形状表明hcp结构的稳定性较强，而随着簇的形成，这种稳定性被逐渐削弱。这一变化使得位错更容易迁移，从而导致堆垛层的扩展。

在位错迁移过程中，研究发现，当簇的尺寸达到一定阶段时，位错的迁移会受到显著影响。此时，GSFE曲线的形态发生改变，导致hcp结构的不稳定性增加。这种不稳定性被认为是位错迁移的主要驱动力之一。同时，簇的形成也对位错的扩展起到了促进作用，使得位错能够沿特定方向迁移，并进一步扩展堆垛层区域。

### 位错核心的聚集行为与迁移

为了进一步理解位错在CAL形成中的作用，研究团队还分析了位错核心区域的聚集行为。通过构建不同厚度的模型，研究发现，位错核心区域的聚集行为与堆垛层中的聚集行为有所不同。在位错核心区域，Y和Zn的聚集能量较高，表明这些原子在位错核心区域的吸附能力较强。随着聚集步骤的增加，位错核心区域的原子分布逐渐趋于有序，形成了类似于L1?型簇的结构。

然而，当聚集步骤达到一定数量时，位错核心区域的结构变得不稳定，导致位错的迁移。此时，Y和Zn原子的聚集行为与位错的迁移之间形成了动态平衡。研究发现，当簇的尺寸超过一定阈值后，位错迁移会受到抑制，因为此时簇的形成已经提供了足够的稳定性，使得位错难以继续扩展。这种现象表明，CAL的形成不仅依赖于簇的聚集，还受到位错行为的调控。

### 高温下的CAL形成机制

在高温条件下，CAL的形成变得更加显著。研究团队通过模拟发现，在523 K的温度下，Y和Zn的聚集行为被显著增强，使得CAL的形成更加有效。此时，位错的迁移和堆垛层的扩展形成了协同作用，从而促进了CAL的形成。此外，研究还发现，CAL的形成与原子的扩散行为密切相关，特别是在真空扩散的条件下，Y和Zn原子能够更容易地迁移至特定位点，形成有序的簇结构。

在CAL的形成过程中，温度起到了至关重要的作用。一方面，温度的升高促进了原子的扩散，使得Y和Zn原子能够更有效地迁移至堆垛层区域；另一方面，温度的升高也可能导致原子的脱附，从而影响CAL的稳定性。因此，研究团队建议在适当温度范围内进行处理，以确保Y和Zn原子的高占有率和有效聚集，从而形成稳定的CAL结构。

### CAL的形成机制与LPSO相的对比

尽管CAL和LPSO相在结构上具有一定的相似性，但它们的形成机制存在显著差异。LPSO相的形成通常依赖于多个I?-SF之间的相互作用，而CAL的形成则主要依赖于单个I?-SF中的原子聚集。此外，LPSO相的形成需要较高的添加剂含量，而CAL的形成则可以在较低的添加剂含量下实现，这使得CAL在实际应用中更具优势。

研究团队指出，CAL的形成机制与LPSO相的形成机制并不完全相同。在LPSO相中，堆垛层之间的相互作用对结构的稳定性起着决定性作用，而在CAL中，这种稳定性主要来自于簇内部的原子相互作用。因此，CAL的形成可能更适用于某些特定的合金系统，而LPSO相则可能在其他系统中更为常见。

### 结论与展望

通过DFT计算，本文揭示了Y和Zn原子在I?-SF和基底边位错中的协同聚集行为，以及这种行为如何影响堆垛层的稳定性，从而形成CAL结构。研究结果表明，CAL的形成是一个动态过程，涉及原子的聚集、位错的迁移和堆垛层的扩展。这一过程在适当的温度和溶质浓度下尤为显著，使得CAL能够有效提升材料的强度和蠕变抗性。

未来的研究可以进一步探索其他元素在CAL形成中的作用，以及不同合金系统中CAL的形成条件。此外，研究团队还建议采用时间依赖的DFT或机器学习势函数，以提高对聚集动力学的模拟精度。这些方法有望在未来的材料设计中发挥重要作用，为开发高性能的Mg合金提供新的思路和工具。