《Acta Materialia》铝镁体系扩散和原子迁移率的实验与计算研究

　　导读：本研究报道了一种集成的实验和计算方法，可以对Al-Mg系统中的fcc和hcp相进行可靠的原子迁移率评估，获得了无法实验测量的亚稳态相（即hcp Al和fcc Mg相）的扩散数据，将有助于合金的设计优化。

　　集成计算材料工程（ICME）通过结合计算工具来加速新合金的设计与工艺优化。建立相关的热力学和动力学（迁移率）数据库时，CALPHAD（PHAse图的计算）方法是预测多组分相平衡和模拟动力学过程的强大工具之一。在CALPHAD框架下开发了诸如Thermo Calc，Pandat和FactSage之类的商业软件包。目前已经开发了可靠的Al原子迁移数据库。相反，Mg的扩散数据非常有限，只有一个初步的镁迁移率数据库可用。因此，对于建立可靠的Al和Mg迁移率数据库至关重要。

　　在该项研究中，来自俄亥俄州立大学的研究人员分别使用有限差分法（FDM）和密度泛函扰动理论（DFPT）进行自扩散和杂质扩散预测。然后，采用最佳DFT设置来计算亚稳相（hcp Al和fcc Mg）中的稀释扩散系数。相关论文以题为“An integrated experimental and computational study of diffusion and atomic mobility of the aluminum–magnesium system”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420300100

　　该研究报道了一种集成的实验和计算方法，可以对Al-Mg系统中的fcc和hcp相进行可靠的原子迁移率评估。分别进行四个扩散倍数，收集275℃，315℃，375℃和420℃下二元Al-Mg成分的扩散浓度分布。通过对这些分布图进行正向仿真分析，可以提取Al-Mg二元系统中所有相的互扩散系数。新的实验数据以及文献结果使我们能够为Al-Mg系统中的所有相建立一个综合的扩散系数数据库，该研究还为Mg17Al12和Mg2Al3金属间化合物提供了可靠的互扩散系数。

图1在CALPHAD框架下，整个成分范围内hcp相的迁移率评估所需的扩散系数

　　对于在CALPHAD框架下进行的原子迁移率评估，需要亚稳相（例如fcc Mg和hcp Al）的自扩散和杂质（稀）扩散系数，但是这些量不能通过实验测量。使用DFT计算来计算这些基本输入值，以进行CALPHAD原子迁移率评估。首先使用各种DFT设置对稳定相（hcp Mg和fcc Al）进行了详细描述。最佳评估的实验数据为DFT计算的最佳设置提供了判断：校正后的PAW-PBE（PBEsol）用于计算过渡势垒空位形成能和熵（特别是Al系统）中所有系统的能量和未经校正的PAW-PBE。然后，将这些DFT设置用于计算亚稳态fcc Mg和hcp Al相的自扩散系数和杂质扩散系数。

图2本文总体研究思路

　　总的来说，这项研究利用实验与计算相结合的方法获得了从实验测量中无法测量的亚稳态（假设的）相（即hcp Al和fcc Mg相）的扩散数据。该研究大大提高了Al和Mg迁移率参数的可靠性，并将有助于建立下一代Al和Mg迁移率数据库，该数据库将更精确地用于动力学模拟以加速高级Al的开发。为其他系统的原子迁移率评估提供了参考。