Cu掺杂6000系铝合金中β?相的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的投影缀加平面波方法和广义梯度近似,研究Cu掺杂对6000系铝合金中主要强化相β"相(Mg_5Al_2Si_4)的几何结构、相稳定性和电子结构的影响。结果表明:β"相的晶胞参数与文献报道相符。掺杂Cu后体系的晶胞形状发生微小变形且体积减小,而不同掺杂浓度和掺杂位置对掺Cu结构Mg_(5-x)Al_(2-y)Si_4Cu_(x+y)的几何性质影响不同,进而影响β"相和Al基体之间的晶格错配度;Cu既替代Mg1又替代Al原子和Cu只替代Al原子的结构在合金中更容易形成,而Cu只替代Mg1原子的结构在合金中不易形成,该计算结果与实验报道相符。电子结构分析表明,掺杂Cu后形成的Mg_(5-x)Al_(2-y)Si_4Cu_(x+y)相结构的稳定性和体系在费米能级附近的赝能隙密切相关。     

Ca、Sr和Ba掺杂Mg_2Si弹性性能和电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理平面波赝势方法研究了合金元素X(X=Ca、Sr、Ba)掺杂Mg2Si的占位情况:(1)取代Mg原子位置;(2)取代Si原子位置;(3)间隙固溶到Mg2Si晶胞中。分析合金系Mg7Si4X,Mg8Si3X,Mg8Si4X的形成热和结合能可知,Mg7Si4X的形成热和结合能均为负值,且最小。表明Mg7Si4X更容易形成稳定化合物,具有较强的合金化能力,且Ca,Sr,Ba掺杂Mg2Si时有优先占据Mg原子的倾向。研究Mg7Si4X的弹性模量和电子结构发现:Mg7Si4Ca、Mg7Si4Sr为脆性相;Mg7Si4Ba为延性相,塑性最好;掺杂Ca,Sr,Ba使Mg2Si逐渐由脆性向韧性转变。Ca,Sr,Ba的掺入均使Mg2Si的电子态密度发生偏移,费米能级处的电荷密度增加,导电性增强,共价键作用减弱,合金系结构稳定性减弱。     

DC铸造Al-12Si-0.65Mg-xMn合金中第二相的形成

采用LSCM、XRD、SEM、TEM及其附带的EDS,结合相图分析研究了半连续铸造(DC铸造)Al-12Si-0.65Mg-(0~2.27)Mn(质量分数,%)合金铸锭中的第二相及其形成过程。结果表明,Al-12Si-0.65Mg合金铸锭中存在α-Al、共晶Si、Mg_2Si和p相(Al_8Mg_3FeSi_6),它们分别是在567℃通过L+Al_5Fe Si→α-Al+Si+Al_8Mg_3FeSi_6、555℃通过L→α-Al+Si+Mg_2Si及550~554℃通过L→α-Al+Si+Mg_2Si+Al_8Mg_3FeSi_6反应形成的。当合金中添加Mn时,α-Al枝晶明显细化,同时合金铸锭中出现α-Al(FeMn)Si相;当Mn含量(质量分数,下同)从0.10%增加至2.27%时,α-Al枝晶形貌、尺寸及数量无明显变化,α-Al(FeMn)Si数量增多而尺寸不变;当Mn含量达到1.07%时,合金在647℃通过L+Al_6Mn→α-Al+Al_9Mn_4Si_3反应生成尺寸约80 mm的Al_9Mn_4Si_3,其中溶解了少量Fe形成Al_9(FeMn)_4Si_3,随Mn含量增加其数量增多而尺寸不变;经550℃均匀化处理后,合金中的Mg_2Si相溶入基体消失,共晶Si、p相和α-Al(FeMn)Si相球化成颗粒状,Al_9(FeMn)_4Si_3相形貌、尺寸及数量几乎不变,Al-12Si-0.65Mg-(0.10~2.27)Mn合金基体中析出尺寸约几百纳米的Al_9(MnFe)_2Si_3弥散相粒子,其数量随Mn含量增加而增多。     

Bi含量对Al-Mg_2Si合金的微观组织及拉伸性能的影响

针对国家能源集团煤炭企业的采煤设备部件偶合器力学性能较差的问题,利用金相、XRD和力学性能测试等方法研究了Bi含量对铸态Al-Mg_2Si合金的微观组织及拉伸性能的影响。结果表明,合金元素Bi对合金中的初生和共晶Mg_2Si均具有显著的变质效果。当Bi含量增加到0.3%时,初生Mg_2Si的形貌从粗大尖角多边形变成平角多面体形状,平均粒径从43μm下降至24μm;同时,共晶Mg_2Si相从迷宫状变为短纤维状或点状。当Bi含量超过0.5%时,共晶Mg2Si呈现出过变质现象。Bi可以提高合金的抗拉强度和伸长率;与未变质合金相比,添加0.5%Bi的合金抗拉强度和伸长率分别提高了34.9%和90.5%。     

Mg-Zn系合金电子结构和弹性性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分析了Mg-Zn、Mg-Zn-Al等二元和三元合金的结构、电子结构和弹性性质。结果表明:Mg_4Zn_8合金为所计算二元Mg-Zn合金的最稳定相,与相应的实验结果一致。在三元金属化合物中,Mg_4Zn_6Al_2和Mg_4Zn_2Al_6是比Mg_4Zn_8更稳定的合金相。分析其电子结构特征,这主要是由于Al原子和Zn原子之间电子杂化的贡献,进一步在原子尺度上揭示了三元合金的稳定性特征。在弹性性质方面,Mg_4Zn_8、Mg_4Zn_6Al_2和Mg_4Zn_2Al_6合金均呈延性相,而Mg_4Zn_6Al_2在抗外力变形能力、抗剪切变形能力和刚度方面综合性能最强。     

Mn-Zr-Si三元系600℃等温截面

利用X射线衍射、扫描电子显微镜及能谱分析等手段建立了Mn-Zr-Si三元合金体系600℃等温截面。研究发现,Mn-Zr-Si三元合金系在600℃下存在一个成分为Mn_4Si_7Zr_4的新物相,其结构与Fe_4Si_7Zr_4结构相同,点阵常数为a=1.3027 nm,c=0.515 nm。研究还发现,高温相Zr_5Si_3在600℃是稳定的,未观察到Zr3Si的存在。此外,还确认了三元化合物MnSi_2Zr和MnSiZr在600℃下是稳定存在的,未发现前人提到的三元化合物Mn_4Si_6Zr_3。     

微波辅助MgH_2固相反应法制备Mg_2Si_(1-x)Sn_x基热电材料及性能

在微波作用下利用MgH_2、纳米Si粉、Sn粉和Bi粉进行固相反应,结合电场激活压力辅助合成法(FAPAS)制备了高纯Bi掺杂的Mg_2Si_(1-x)Sn_x(0.4≤x≤0.6)基固溶体热电材料,并对其微观结构和热电性能进行了表征。结果表明,MgH_2替代传统原料Mg粉显著降低了固相反应温度且防止了Mg的挥发和氧化,同时微波快速低温加热有效抑制晶粒长大,可获得平均晶粒尺寸为200 nm的高纯产物。在300~750 K的温度区间对样品热电性能进行测试。结果表明,细小的片层固溶体组织和Bi的掺杂有效降低了样品热导率,同时改善了其电性能,在600 K时,含1.5%Bi(原子分数)的Mg_2Si_(0.4/0Sn_(0.6)热电材料具有最大ZT值0.91。     

Sb、Bi合金化提高Mg-Al系合金抗蠕变性能的机理

采用基于密度泛函理论的Dmol 4.1程序,从合金形成热、结合能、热力学性能和态密度等方面,研究Sb、Bi合金化提高Mg-Al系合金抗蠕变性能的影响机理。结果表明：Sb、Bi分别置换Mg-Al系合金Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）,Mg（Ⅱ）,Mg（Ⅲ）和Al原子时,仅Sb置换Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）,Mg（Ⅱ）原子,Bi置换Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）原子能形成稳定的Mg17Al12固溶体结构,这表明Sb、Bi在Mg17Al12中固溶量有限。进一步比较合金化形成稳定的固溶体结构,发现Sb、Bi合金化后,固溶体结构的稳定性比未合金化时增强,其中,Sb置换Mg17Al12相中Mg（Ⅱ）原子时,其结构稳定性最高,其次Sb置换Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）原子,再次Bi置换Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）原子;而析出金属间化合物Mg3Bi2和Mg3Sb2,比相应合金化Mg17Al12固溶体的结构更稳定。不同温度下热力学性能的计算发现,合金体系中形成了结构稳定性高的Sb、Bi合金化Mg17Al12固溶体以及金属间化合物Mg3Sb2和Mg3Bi2,这些相高的结构稳定性并不因温度的升高而消失,其结构稳定性仍比Mg17Al12相高,因此Sb、Bi合金化提高了Mg-Al系合金的抗蠕变性能。电子态密度的分析结果进一步表明,Mg-Al系合金中相结构稳定性提高的主要原因在于：Sb、Bi合金化后,体系费米能级以下低能级区成键电子数的增多,其来源主要是Mg（s）、Mg（p）、Al（p）、Bi（d）和Sb（d）的价电子。     

变质元素对Mg/Mg_2Si复合材料中Mg_2Si相影响的研究进展

Mg_2Si相作为一种具有良好性能的二元合金相,被广泛地应用在多种有色合金以及复合材料中作为增强相。采用不同的元素得到了不同的变质效果,通过变质元素细化Mg_2Si相,以提高合金的性能。研究了不同元素对Mg/Mg_2Si复合材料中的Mg_2Si相的复合变质作用。综述了Mg_2Si相的性质,重点介绍了铸造镁合金中添加变质元素对Mg_2Si相形貌的影响以及变质机理,总结了当前研究阶段存在的不足,并提出了进一步研究方向。     

Bi对Al-5Mg-2Si-0.6Mn合金的组织及力学性能的影响

研究了Bi含量对Al-5Mg-2Si-0.6Mn合金铸态组织、相结构和成分、力学性能和断口形貌的影响。结果表明,当Bi含量为0.3%时,具有最明显的变质效果。Bi富集在共晶Mg_2Si生长界面前端产生成分过冷,减小了液相的实际过冷度,使共晶Mg_2Si的生长速度被限制,共晶Mg_2Si相从变质前的粗纤维状转变成细小的点状纤维。合金的力学性能显著提高,抗拉强度、伸长率分别由未变质的205 MPa、2.8%增加至240 MPa、5.3%,分别增加了17.1%、89.3%。     

Sn-Zn-Bi-(P,Nd)无铅钎料的微观组织及性能

研究了复合加入P,Nd元素的Sn-8Zn-3Bi钎料的微观组织、力学性能、抗氧化性及润湿性.结果表明,单独加入元素P会导致Sn-8Zn-3Bi钎料组织中出现初生Zn相,而同时加入元素P和Nd不仅能够抑制初生Zn相的形成,钎料组织也能够得到细化,因此钎料的塑性提高,断后伸长率达到48%.P,Nd元素的复合添加能够在钎料表面形成稳定的扩散阻挡层,抑制P元素在长时间加热条件下的烧损,进一步降低表面的氧化速度.由于钎料的抗氧化性提高,Sn-8Zn-3Bi-0.1P-0.05Nd钎料呈现出更好的润湿性.     

Microstructural evolution of direct chill cast Al-15.5Si-4Cu-1Mg-1Ni-0.5Cr alloy during solution treatment

Heat treatment has important influence on the microstructure and mechanical properties of Al-Si alloys. The most common used heat treatment method for these alloys is solution treatment followed by age-hardening. This paper investigates the microstructural evolution of a direct chill (DC) cast Al-15.5Si-4Cu-1Mg-1Ni-0.5Cr alloy after solution treated at 500, 510, 520 and 530℃, respectively for different times. The major phases observed in the as-cast alloy are α-aluminum dendrite, primary Si particle, eutectic Si, Al7Cu4Ni, Al5Cu2Mg8Si6, Al15(Cr, Fe, Ni, Cu)4Si2 and Al2Cu. The Al2Cu phase dissolves completely after being solution treated for 2 h at 500℃, while the eutectic Si, Al5Cu2Mg8Si6 and Al15(Cr, Fe, Ni, Cu)4Si2 phases are insoluble. In addition, the Al7Cu4Ni phase is substituted by the Al3CuNi phase. The α-aluminum dendrite network disappears when the solution temperature is increased to 530℃. Incipient melting of the Al2Cu-rich eutectic mixture occurrs at 520℃, and melting of the Al5Cu2Mg8Si6 and Al3CuNi phases is observed at a solution temperature of 530℃. The void formation of the structure and deterioration of the mechanical properties are found in samples solution treated at 530℃.     

Si、Mg含量及合金元素对A356合金力学性能的影响

研究了Si、Mg含量及合金元素对A356合金力学性能的影响.结果表明,在A356合金中,Si元素和Mg元素在允许范围内适当增加添加量,能促使更多的Mg_2Si生成,增加了共晶Si数量,合金在铸态和T6态的力学性能都有一定程度提高;在此基础上添加合金元素,初生α-Al能得到更有效细化,共晶硅变质更充分,合金的力学性能有了极大提高.高si、Mg含量的A356合金对细化变质处理更加敏感,T6处理后力学性能达到最佳,抗拉强度和伸长率达到320 MPa和8.0%,分别比低Si、Mg含量合金提高了18.6%和35.6%.     

第一性原理研究合金元素对3C-SiC/Mg界面的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究掺杂单个Al、Zn、Cu、Ni、Li、Zr原子对3C-SiC/Mg体系界面结合的影响,选取代表性的Zn原子和Zr原子进行Mulliken电荷、重叠布居数和态密度计算分析。结果表明,3C-SiC/Mg界面模型最稳定的堆垛结构是将5层的Mg（0001）堆垛在10层的 3C-SiC（111）面上,C封端的中心型模型在6种3C-SiC/Mg模型结构中分离功最大,界面间距最小,界面的润湿性最好;掺杂Zn原子后,3C-SiC/Mg-Zn体系的分离功减小,掺杂的Zn原子与Mg原子成反键,态密度中赝能隙变小使得3C-SiC/Mg-Zn体系的共价键性减弱,不利于3C-SiC/Mg-Zn界面结合; 掺杂Al、Cu、Ni、Li、Zr原子后,体系的分离功增大,Zr原子对界面润湿性的改善效果最好。掺杂Zr原子后,界面层Mg原子与Si原子的反键消失,与C原子在界面处形成Zr-C强共价键,态密度离域性增强,成键能力增强,导致3C-SiC/Mg-Zr体系的分离功增大最多。     

First principles study on the phase stability and mechanical properties of MoSi2 alloyed with Al,Mg and Ge

The phase stability, mechanical properties and electronic structure of C11_b and C40 MoSi₂ with alloying elements Al, Mg and Ge were systematically investigated using first principles methods. The calculated lattice constants and elastic constants of C11_b and C40 MoSi₂ are in good agreement with the previous results. It is found that there is a phase transition from C11_b to C40 when the concentrations of Al and Mg reach ∼7 at.% and ∼6 at.%, respectively. Based on the elastic constants, the anisotropy, ductility, hardness and melting temperatures are presented for MoSi₂ with alloying elements. For C11_b, the ductility will be enhanced by increasing the concentrations of Al or Mg. Simultaneously, hardness will be reduced by the increasing of Al or Mg. Ge have a reverse effects. For C40, the ductility is reduced weakly by Al or Mg. In addition, the effects of substitution of Mo by Nb with Si substitution of Si by Al, Mg and Ge are also investigated. Nb and Mg codoping can improve the ductility of MoSi₂. Finally, the density of states is used to analysis the effects of alloying elements on the mechanical properties, and the results are in consistent with the predictions based on elastic constants.     

喷射成形过共晶Al-Si合金组织、性能的研究进展

过共晶Al-Si合金作为最具代表性的喷射成形材料在轻质、耐热、耐磨结构件,尤其是发动机缸套的工业化生产方面,已获得大量的应用。目前商用化的过共晶Al-Si合金在热稳定性和高温性能方面的不足已成为开发高性能发动机的限制因素,因而也成为近年来各研究机构的主要研究方向。用Fe,Mn,Cr为主的合金化代替传统的以Cu,Mg为主的合金化,使Al2Cu,Al2CuMg等强化相被稳定性更高的α—Al（Fe,TM）Si相所代替,达到了组织和室温、高温性能的双重优化,制备出继PEAK和OSPREY公司之后开发的可应用于更高性能发动机缸套部件的新型过共晶Al—Si合金。     

L12型Co3Ti基金属间化合物有序化行为的热力学研究

采用亚晶格模型,辅助以第一性原理总能计算,研究了L12结构的Co3Ti基金属间化合物中元素的占位有序化行为。结果表明,Co3Ti化学计量比合金呈现完全有序化;对于xCo/xTi为3:1的Co72Ti24M4合金,第3合金组元M为Si或Ta时,M与Ti共同占据1a位置,M为Cu、Ni、Pd、Rh、V或W时,M与Co占据3c位置,而当M为Al、Cr、Ge、Mn、Sc或Y时,M在1a和3c位置的占位分数相同,这些元素的占位行为均不受温度影响;而当M为Fe、Hf、Mo、Nb、Ru和Zr的占位情况随温度发生变化。随原子核外层电子的增加,原子占位逐渐倾向于从1a亚晶格转向3c位置。亦预测了xCo/xTi偏离3:1的部分合金的占位分数随合金成分和温度的变化细节,预测结果与文献进行了比较,并澄清了文献上的分歧     

Si合金化对C15 NbCr2 Laves相稳定性和断裂韧性影响的第一性原理研究

基于第一性原理计算方法,通过对形成焓、结合能、原子自由体积和电子结构的计算,研究了Si合金化对C15 NbCr₂Laves相稳定性和断裂韧性的影响。位点占据能表示Si原子倾向于占据Cr位点。形成焓和结合能计算表明,随着Si含量的增加,Nb₈Cr_16-xSi_x(X= 0~ 5)相的形成能力和稳定性均得到提升且与Si含量保持线性相关性。原子自由体积计算表明,Nb₈Cr_16-xSi_x相的原子自由体积较NbCr₂基体相均得到增加,其中在Si含量为8.33 at%(Nb₈Cr₁₄Si₂)时,原子自由体积取得最大值,断裂韧性达到最优。电子结构计算表明,Si合金化使得DOS曲线右移,费米能级向赝能隙峰谷靠近,稳定了NbCr₂基体相,同时所有的成键峰变得下降和展宽,削弱了Nb-Cr原子的键合强度,使得剪切变形易于进行,从而提高韧性。