Cr微合金化对8021铝合金性能的影响及其界面结构调控作用

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of Interfacial Structure Regulation on the Properties of 8021 Aluminum Alloy by Cr Microalloying

　　**摘要**
通过第一性原理计算，研究了Cr掺杂对8021铝合金中β-Al?.?FeSi/Al界面行为和机械性能的影响。构建了具有不同晶体学 terminations的β-Al?.?FeSi和α-Al(Fe, Cr)Si表面模型，并通过表面原子松弛和表面能计算确定了稳定的表面构型。此外，还建立了具有各种堆垛构型的β-Al?.?FeSi/Al和α-Al(Fe, Cr)Si/Al界面模型。系统地计算了界面能、电荷密度差和态密度，以阐明界面键合特性和机械性能。结果表明，B1-Al?.?FeSi(110)/Al(111)和B1-Al(Fe, Cr)Si(110)/Al(111)界面的MT堆垛构型表现出更高的粘附功和更低的界面能。Cr的3d轨道与Al的p轨道和Fe的d轨道之间产生了强杂化作用，导致了界面电荷的重新分布，从而形成了混合的金属-共价键合，并显著增强了材料的极限抗拉强度。此外，TEM和EDS分析的结果表明，Cr掺杂可以促进粗糙针状β-Al?.?FeSi向α-Al(Fe, Cr)Si的转变。元素分布图确认Cr原子均匀替代了晶格中的Fe原子。微观组织形态、相组成和机械性能与第一性原理计算预测的趋势一致。这对于提高铝合金的机械性能非常有用。

**引言**
在Al–Fe–Si体系中，8021铝合金具有优异的机械强度、良好的塑性成型性、优异的耐腐蚀性和低热膨胀系数[1]，[2]。该合金在高温和腐蚀性服务环境下能够保持良好的结构稳定性和可靠的性能，因此被认为在包装、电子、交通等领域具有广泛的应用潜力，并已广泛用于制造食品包装材料、动力电池箔、热交换器和轻质结构部件等产品[3]。由于其良好的综合性能和加工适应性，8021铝合金在各种服务条件下能够长期稳定运行，从而显著提高了相关产品的耐用性和安全性。在Al–Fe–Si基铝合金中，铝基体与金属间化合物（如β-Al?.?FeSi和α-Al(Fe, Cr)Si）之间的界面结构是决定合金强度-韧性平衡、导热性和成型性的关键因素。因此，对其准确表征和有针对性的调控是实现高性能Al–Fe–Si基铝合金的关键途径[4]，[5]。

近年来，人们对第一性原理计算给予了更多的关注。第一性原理计算在阐明铝合金中界面结构与性能之间的关系方面显示出显著优势，为高性能铝合金的成分设计和工艺优化提供了新的途径[6]。基于第一性原理计算，Khalid等人[7]系统研究了α-AlFeSi/Fe?Al??和Fe?Al?/Fe?Al??金属间界面的机械性能和键合特性。分析了这些界面的分离功、抗拉强度、剪切强度和断裂行为，发现两种界面的抗拉强度相当，但Fe?Al?/Fe?Al??界面表现出更高的分离功和更好的剪切性能。界面键合强度由原子间的电荷转移效应决定，这可以用于调控铝-钢接头的服役性能。Yao等人[8]使用第一性原理计算系统研究了Mo掺杂对Al/Al?Fe和Al/Al??Fe?界面特性的影响，详细分析了界面能、粘附功和电子相互作用，发现Mo掺杂增强了Al/Al?Fe界面的稳定性，而削弱了Al/Al??Fe?界面的稳定性。界面行为的差异归因于电子效应与晶格畸变之间的竞争。此外，Mo的添加增加了Fe的扩散势垒，从而抑制了合金系统中的相变。目前，人们对界面结构对铝合金性能的调控机制给予了相当大的关注。然而，对于8021铝合金体系，Cr掺杂引起的β-Al?.?FeSi向α-Al(Fe, Cr)Si的界面转变及其与机械性能的内在相关性尚未得到系统研究[9]，[10]，[11]。

为了阐明Cr掺杂引起的界面转变如何影响8021铝合金的机械性能，通过真空感应熔炼制备了样品，并利用透射电子显微镜(TEM)进行了微观结构分析。同时，使用维也纳从头算模拟包(VASP)进行了密度泛函理论计算，其中采用了投影增强波(PAW)赝势方法和平面波基组来分析Cr微量掺杂对合金抗拉性能和界面行为的影响。本研究的结果有望为阐明β-Al?.?FeSi界面的形成机制以及其与α-Al(Fe, Cr)Si转变相关的强化机制提供理论基础和研究指导。

**计算方法**
本研究基于密度泛函理论(DFT)进行，第一性原理计算使用VASP[12]，[13]软件完成。图1(a)和图1(b)分别展示了β-Al?.?FeSi模型和α-Al(Fe, Cr)Si模型的系统截止能量收敛性测试，两者采用了相同的收敛标准。显然，前者在680 eV时表现出稳定的收敛行为，而后者在约720 eV时达到收敛。综合考虑收敛精度和一致性，

**表面原子松弛**
为了平衡计算成本和精度，首先对β-Al?.?FeSi(110)、α-Al(Fe, Cr)Si(110)和Al(111)表面进行了收敛性测试。当层间间距或表面能仅有微小变化时，认为达到了收敛[19]。层间原子间距可以通过以下公式确定[20]：
$$
\Delta \xi_{ij} = \frac{d_{ij} - d_{0ij}}{d_{0ij}} \times 100\%
$$
其中$d_{ij}$表示松弛前相邻原子层(i)和(j)之间的距离。

**结论**
本研究在原子尺度上阐明了Cr微量掺杂如何改善金属间化合物/铝基体界面的电子构型并提高8021铝合金的机械性能。结合选区电子衍射(SAED)和透射电子显微镜(TEM)技术，确定了β-Al?.?FeSi相的晶体结构，并验证了第一性原理计算中使用的结构模型的可靠性。

**CRediT作者贡献声明**
张凯新：撰写——原始草稿。王伟：撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了河南省自然科学基金(项目编号222300420437)的财政支持。

**作者信息**
张凯新 | 王伟
河南科技大学材料科学与工程学院，洛阳，471023，中国