Mg-La合金与6H型MgYZn合金长周期结构的第一性原理研究

摘要

镁合金是最轻的结构材料，具有密度小、比强度高、易于回收利用等优良性能。在过去的十几年，镁合金已经取代许多[锌、铝、铸铁和钢]等材料，广泛用于航空航天、汽车和电子等行业，并且将得到更为广泛的应用。大量研究表明，在镁合金当中加入稀土元素可以明显改善镁合金的机械性能。La元素作为稀土元素中的一种代表性元素添加到镁合金中可以增加合金的机械强度，提高合金在室温及高温下的时效硬化性能，强化合金的抗腐蚀性能。同时，Mg–La合金还具备更好的高温力学性能以及优异的抗蠕变性能等。然而，对于Mg–La合金的研究目前只停留与实验观测，没有理论上对晶体结构和电子特性的研究，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法首先研究了Mg–La合金在不同形态结构下的晶体及电子结构。计算所得到的晶格常数很好的吻合了实验获得的数据。相关能计算表明Mg–La合金中随着La元素的增加结构稳定性增强。形成焓结果表明Mg3La，Mg2La和 MgLa的合金性能要明显高于Mg12La和Mg17La2。合金能带和态密度的研究发现合金中成键电子主要是 Mg的3s,2p电子和La的5d,4f电子，费米能级以下的成键数对合金结构稳定性起着重要作用。
　　 最近，Kawamure课题组成功应用快速凝固粉末冶金法制备出Mg97Y2Zn1合金，和Mg-Y相比，Mg97Y2Zn1合金具有更高的抗蠕变性能。合金的优异性能被认为是由于稳定的纳米晶微结构的存在。纳米晶微结构主要由直径100-200 nm的hcp(2H)-Mg（α-Mg）基体精细晶粒、LPSO结构及小于10 nm的细晶粒（如Mg24Y5）组成。为了详细的研究LPSO的结构、微观机制以及晶格畸变，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Mg97Y2Zn1合金的6H型LPSO结构。文中首次采用理论方法阐述了Zn和Y原子在合金中的排列规则和取代的精确位置，并且研究了晶体的几何结构变化。针对实验上观测到晶格畸变现象，我们通过计算的方法揭示了2％或是更高含量的Zn元素是导致a和c矢量不垂直、而是成是88.1°夹角的原因，从而形成晶格畸变。