【摘要】 根据第一性原理计算,结合统计力学,预测了铝锂相图。根据不同fcc和bcc构型的形成能(用DFT计算),确定了基态相和团簇展开哈密顿量的有效团簇相互作用系数。
利用第一性原理计[1],结合团簇展开形式和统计力学,确定了Al-Li系的相图。基态相是由fcc和bcc构型在整个组成范围内的第一性原理计算确定的,而相变作为温度的函数是由相的热力学大势和吉布斯自由能确定的。总的来说,计算的相图与目前公认的实验相图非常一致,但模拟提供了新的见解,这对于通过热处理优化这些合金的微观结构非常重要。特别地,确定了由嵌入Al基体中的Al0.5Li0.5(001)单层组成的潜在GP区的结构。发现Al3Li是稳定相,尽管用于将Al3Li转化为AlLi的能垒非常小(几meV)并且可以通过热振动克服。此外,发现bcc-AlLi是由fcc构型的马氏体相变形成的,并且Al3Li沉淀物是AlLi成核的有利位置,因为它们包含这种fcc有序的基本嵌段。最后,给出了不同相的吉布斯自由能随温度和成分变化的多项式表达式,从而可以用于铝锂合金中尺度析出的模拟。
根据第一性原理计算,结合统计力学,预测了铝锂相图。根据不同fcc和bcc构型的形成能(用DFT计算),确定了基态相和团簇展开哈密顿量的有效团簇相互作用系数。然后,根据Metropolis蒙特卡罗模拟计算的配分函数,得到了不同相的热力学大势和吉布斯自由能随温度的变化。总体而言,根据第一性原理计算的相图与公认的实验Al-Li相图非常一致,但对模拟结果的分析为该系统的实际相位和稳定性提供了新的见解。特别是:
1.确定了潜在GP区的结构:它们是由嵌入Al基体中的Al0.5Li0.5(001)单层以不同间距组成的周期性结构形成的。此外,这些GP区很可能是Al3Li成核的前体,因为它们已经包含Al3Li的基本嵌段,即Al0.5Li0.5(001)单层。
2.发现Al3Li是稳定相,尽管用于将Al3Li转变为Al-Li的能垒非常小(几meV)并且可以通过热振动克服。AlLi(bcc)沉淀物是通过fcc构型的马氏体转变形成的,并且Al3Li沉淀物代表了AlLi成核的有利位置,因为它们包含这种fcc有序的基本嵌段。这一机制解释了为什么AlLi的沉淀总是伴随着Al3Li沉淀的粗化和消失。此外,与马氏体fcc-bcc转变形成AlLi相关的剪切应变是其在位错和晶界上的非均匀成核的原因。
3.计算出的相图纠正了实验相图中的一些不一致之处。此外,它预测线性化合物Al2Li3和Al4Li9在比实验相图中所示的更高的温度下是稳定的,并且在它们之间发现了新的线性化合物AlLi2。
4.最后,得到了不同相的吉布斯自由能随温度和成分变化的多项式表达式,可用于铝锂合金中尺度析出模拟。
[1] Liu, S., Esteban-Manzanares, G. & LLorca, J. First Principles Prediction of the Al-Li Phase Diagram. Metall Mater Trans A 52, 4675–4690 (2021).
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