SLM制备AlSi10Mg合金过程中硅诱导偏析的分子动力学模拟和第一性原理计算

关键词：AlSi10Mg、SLM（selective laser melting）、腐蚀、合金、MedeA VASP、LAMMPS

1. 研究背景

Zn是合金中相对昂贵的金属元素，所以随着合金材料的发展， Zn已逐渐被广泛使用的Si元素所取代。这不仅降低了成本，而且还能满足工业生产要求。因此，铝硅镁合金被广泛应用于船舶、高速列车、汽车等领域。近年来，为了提高铝硅镁合金的力学性能，SLM(selective laser melting)技术被广泛用于制备铝硅镁合金复合材料。但目前关于激光熔化材料中微观结构形成的动力学和热力学原理的研究报道还比较少，其形成原因仍然存在争议，因此第一性原理和分子动力学等计算方法在合金材料微观尺度的研究中发挥了重要作用。本案例中，作者利用分子动力学模拟研究了AlSi10Mg合金高温淬火过程中Si、Mg原子在Al基体中的偏析和团聚行为，并解释了高温下AlSi10Mg合金中Si富集相形成的原因。利用第一性原理计算了AlSi10Mg合金中各种可能的晶胞结构的表面能与功函，分析了AlSi10Mg合金材料的耐蚀性能。

2. 建模与计算方法

作者在MedeA中构建了边长为382x207x15nm的AlSi10Mg三元合金的晶体模型，并使用MEAM力场描述原子间相互作用，通过MedeA LAMMPS中的Minimization功能对结构做能量最小化，随后在1500K下作100ps的NPT系综模拟，最后以1.2x107K/s的降温速率退火至常温。研究温度对Mg、Si元素在Al基体中溶解度的影响。通过MedeA VASP模块计算了面心立方的Al超胞 、金刚石结构的Si 超胞和掺杂Si原子的Al间隙固溶体三种晶胞结构表面能与功函。

3. 结果与讨论

3.1 Si原子的偏析现象与Si富集相的产生

作者在MedeA中构建了AlSi10Mg三元合金的晶体模型，通过MedeA LAMMPS中的Minimization功能对结构做能量最小化，随后在1500K下作100ps的NPT系综模拟，最后以1.2x107K/s的降温速率退火至常温。研究温度对Mg、Si元素在Al基体中溶解度的影响。

图1  AlSi10Mg三元合金的晶体模型(382x207x15nm)

图2  熔化温度的差异导致Si原子的偏析或团聚，在边缘区域形成Si原子富集相: (a)298.17K下的固溶体模型；(b)1499.43K下的固溶体模型

如图2所示，作者发现在相对较低的温度下，Si原子和Mg原子都大量地溶解在Al基体中。然而，当温度升高到1226.43◦C时，Al基体中的Si原子和Mg原子析出到基体边缘区域，形成狭长的硅富集相。依此推测出在激光熔化的过程中，由于激光温度的在表面的正态分布(激光作用中心区域温度高，边缘区域温度低)，在激光作用中心区域由于高温对流和表面张力，高温熔融液体中会发生大量的原子聚集，而在激光作用的边缘区域Si、Mg原子的固溶性较好，在整个加热过程中没有出现明显的离析和团聚现象。

3.2 淬火过程中不同原子的扩散性质

作者使用MedeA LAMMPS中的Diffusion模块计算了不同温度下固溶体中Mg、Si、Al的均方位移，研究温度对固溶体中原子扩散性质的影响，如图3，反映了不同原子在不同温度下的扩散能力。在整个淬火过程中，随着温度的降低，原子的扩散能力显著降低，其中Al原子的扩散能力明显强于许多其他元素，Mg原子的扩散能力最弱。原子扩散能力反映了该原子形成团簇的难易程度。因此作者推测出，在淬火过程中，Al原子更容易优先凝固或偏析形成团簇。

图3 原子在快速冷却过程中的均方位移和原子分布: (a) 1500.72K；(b) 305.63K

3.3 不同晶胞结构的表面能与功函

如图4，作者使用XRD分析Al-Si-Mg固溶体中可能出现的表面晶体结构，结果表明，硅原子处于固溶状态，并位于八面体隙中，根据XRD结果，作者首先比较了面心立方的Al超胞 、金刚石结构的Si 超胞和掺杂Si原子的Al间隙固溶体这三种可能的晶胞结构，并使用MedeA VASP模块对三种模型进行结构优化，计算了表面能与功函，如表1所示。

图4 对AlSi10Mg合金进行XRD谱分析，确定其表面晶体结构和可能晶胞结构

表1 不同结构的表面能与功函

表1显示，当三种结构的表面混合在一起时，粗硅颗粒的功函数比铝基体的功函数高1ev，所以Al基体更容易失去电子，因而率先发生电化学腐蚀。Mg原子的加入在一定程度上能降低表面功函，特别是Mg(SiAl)2结构，其功函数仅为3.028 eV，并且由于(001)和(100)表面具有较低的表面能，Mg(SiAl)2结构相对容易形成(001)和(100)表面，从而使得合金材料中更容易形成腐蚀点。

4. 总结与展望

本案例中，作者通过分子动力学模拟研究了AlSi10Mg合金高温淬火过程中Si、Mg原子在Al基体中的偏析和团聚行为，通过计算均方位移比较了淬火过程中不同原子的扩散能力，解释了高温下AlSi10Mg合金中Si富集相形成的原因。从XRD图谱中推测出AlSi10Mg合金中可能出现的表面晶体结构和晶胞结构，并利用第一性原理方法计算了不同结构的表面能与功函，通过比较表面能与功函的大小分析合金材料的耐蚀性能。该工作对耐腐蚀材料设计以及材料耐腐蚀性能研究具有重要的科学意义。

参考文献：

Ji, Y., et al., Design materials based on simulation results of silicon induced segregation at AlSi10Mg interface fabricated by selective laser melting. 2020. 46.

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