论文部分内容阅读
碳质孕育细化晶粒的方法由于操作温度低、衰退少等优点被认为是Mg-Al合金最有发展潜力的细化方法。目前普遍认可的细化机理是异质形核机理，但具体的形核核心尚未确定。其中，Al4C3一直被认为是有效的形核核心，最近有研究者从实验上认为Al2MgC2也可能是有效的碳质孕育晶核。本文拟采用第一性原理计算方法通过研究Mg-Al熔体中碳质晶核/基体间的界面特性以确定有效形核核心，从而深刻地揭示碳质孕育细化晶粒的机理。本文主要从以下几方面进行讨论：1.针对基体Mg相，碳质相Al4C3和Al2MgC2三种物相的体结构性质进行研究；2. Mg(0002)、Al4C3(0001)和Al2MgC2(0001)的表面性质；3.构建Mg/Al4C3、Mg/Al2MgC2界面，并研究晶核/基体界面性质：4.合金元素Ca、Sr、Fe、Mn及Al、Si、Zn等的掺杂对Mg/Al2MgC2界面性质的影响。结论如下：1.计算得到Mg的内聚能为1.51eV，Al4C3和Al2MgC2的形成能分别为-0.68eV和-0.34eV。Al4C3、Al2MgC2均具有半导体性质。2. Al4C3(0001)、Al2MgC2(0001)分别具有2种、5种表面结构，最稳定的表面分别是Al终端的Al4C3(0001)及Mg终端或Al终端(C)的Al2MgC2(0001)表面；3.选择Al4C3(0001)和Al2MgC2(0001)的最稳定表面结构分别与Mg(0002)表面构成界面模型并计算相关界面性质。对于Mg/Al-terminated Al4C3界面，HCP堆垛次序的Mg/Al4C3界面结构最稳定。并且Mg/Al4C3界面处主要形成了共价键，但电荷转移少，界面电荷作用弱；对于Mg/Al2MgC2界面，HCP的Mg/Al-terminated(C) Al2MgC2界面和MT的Mg/Mg-terminated Al2MgC2界面结构稳定性最好。并且， Mg-terminated Al2MgC2(0001)表面和Mg(0002)表面构成界面后的电荷转移较多且密集，分布在整个界面区域，而Mg/Al-terminated(C) Al2MgC2界面处电荷转移少，界面之间的电荷作用较弱。4. Mg/Mg-terminated Al2MgC2界面的界面能低于Mg/Al4C3界面的界面能。因此，在碳质孕育Mg-Al熔体中，当Al4C3与Al2MgC2同时存在时，Al2MgC2成为α-Mg的潜在形核核心的可能性更大；5.合金元素Ca、Sr、Fe、Mn掺杂后Mg/Al2MgC2界面的稳定性研究显示：Ca的添加使得界面更加稳定，Sr、Fe、Mn的掺杂降低了界面的稳定性。这表明，Ca有利于Mg-Al合金碳质孕育细化效果而Sr、Fe、Mn分别不同程度抑制碳质孕育细化作用；Fe(Mn)与Ca(Sr)两两交互共掺杂Mg/Al2MgC2界面的界面稳定性研究显示：Ca与Fe(Mn)的共掺杂使界面稳定性高于Fe或Mn单独掺杂界面低于Ca单掺杂界面。这表明Ca的添加对于Fe、Mn对碳质孕育细化效果的的毒化作用有一定的避免作用，而Sr与Fe(Mn)的共掺杂使得界面稳定性大大降低；6. Al、Si、Zn杂质元素在界面Mg/Al2MgC2的掺杂稳定性研究显示：Al、Si、Zn的存在不利于碳质孕育细化。