如何分析長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)(LPSO)

LPSO(長周期有序堆垛結(jié)構(gòu))

按一定比例將純鎂與稀土元素混合，并在合金中添加微合金元素（Zn、Al 等），按一定熱處理工藝制備出的合金中含有一種長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)可以阻礙位錯運動，抑制基面滑移的產(chǎn)生，從而提高鎂合金的強度。

01

LPSO類型

根據(jù) LPSO 相原子排布順序的不同:

可將其分為 6H、10H、14H、18R 和 24R，其中 H 表示六方點陣，R 表示菱方點陣。

18R-LPSO 相主要存在于鑄態(tài)鎂稀土合金中，普遍認可其化學式為 Mg10YZn 或Mg29Y4Zn3 相，原子堆垛順序為 ACACBABABACBCBCBACA，在沿 c 軸方向的 Y、Zn 層循環(huán)結(jié)構(gòu)中存在 2 個Mg 原子層將其分隔，

晶胞參數(shù):

(a=1.112nm,b=1.926nm,c=4.68nm,β=83.25°)

14H 結(jié)構(gòu)最早于2003 年由 Amiya 發(fā)現(xiàn)，其化學式被普遍認為是 Mg12YZn 或Mg35Y4Zn3 相,其堆垛順序為ABABCACACACBABA,在Y、Zn 循環(huán)結(jié)構(gòu)中層狀循環(huán)結(jié)構(gòu)中存在 3 個 Mg 原子層將其分隔，晶胞參數(shù)(a=1.112 nm,c=3.64 nm)

18R-LPSO 可在凝固過程中直接析出，14H-LPSO 通常在熱處理或熱變形加工過程中由 18R-LPSO 轉(zhuǎn)變或直接由合金中的 RE、TM 原子擴散至 α-Mg 晶粒內(nèi)生成。

圖1 Mg-Zn-Y LPSO 結(jié)構(gòu)模型。

藍色和紅色圓圈分別代表鎂和 Zn/Y 占位點。

圖2. (a) hcp-Mg 和 (b) 10H 、(c) 18R 、(d) 14H 和 (e) 24R LPSO的 SAED 圖和 STEM-haadf 圖像。SAED圖晶帶軸均為[11-20]

表1 各類型LPSO原子堆垛順序

因堆垛順序不同，不同 LPSO 相的制備難度，表征難度也大不相同，目前研究最多的是 14H 與 18R LPSO 相。

02

透射電鏡下的14H、18R

選區(qū)電子衍射(SAED)

在 SAED 圖中，

若(0 0 0 2)α 衍射斑（α 代表鎂基體）的 n/6、n/7位置（n 為整數(shù)）出現(xiàn)了額外的斑點，則證明存在18R 、14H的LPSO 結(jié)構(gòu)

圖3 18R LPSO電子衍射

SAED證明18R的方法：

由圖3可知，

在（0000）Mg與（0002）Mg之間會存在5個衍射斑點

圖4 18R LPSO電子衍射

SAED證明14H的方法：

由圖4可知，

在（0000）Mg與（0002）Mg之間會存在6個衍射斑點，但大多數(shù)情況下會出現(xiàn)13個衍射斑點。

高分辨(HRTEM)

在 HRTEM 圖中，

14H 的LPSO：

其均勻分布的晶格條紋間距約為 1.8 nm；

18R 的LPSO：

其均勻分布的晶格條紋間距約為 1.6 nm。

圖5 2H(Mg轉(zhuǎn)化為14H LPSO原子示意圖

圖6 2H(Mg轉(zhuǎn)化為18R LPSO原子示意圖

圖7 14H與18R LPSO 高分辨圖

HRTEM證明14H與18R：

測量HRTEM圖晶格條紋距離，

14H的晶格條紋之間約為1.8nm，

18R的晶格條紋之間約為1.6nm。

球差高分辨(STEM-HAADF)

由于STEM-HAADF圖可以觀察到原子分布，所以通過原子堆垛順序來判定14H與18R。

14H:

ABABCACACACBABA

18R:

ACACBABABACBCBCBACA

圖8 14H與18R LPSO STEM-HAADF圖

STEM-HAADF證明

14H與18R：

由圖8b可知，有5個亮區(qū)域的堆垛順序,其中1個與其余4個相反，大多數(shù)相鄰區(qū)域中間隔著3個原子層的距離。

由原子堆垛順序可知，

14H：

ABCA、ACBA之間隔著3層原子；

18R：

ACBA、BACB、CBAC之間均隔著2層原子。

參考文獻：

[1] Zhu Y M, Morton A J, Nie J F. The 18R and 14H long-period stacking ordered structures in Mg–Y–Zn alloys[J]. Acta Materialia, 2010, 58(8): 2936-2947.

[2]Zheng Z, Peng C, Zhang Q. Structural features of 18R-type long-period stacking ordered phase in Mg85Zn6Y9 alloy and the Ni doping effect on its hydrogen storage properties[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 145: 148-155.

[3] Zhu Y M, Morton A J, Nie J F. Growth and transformation mechanisms of 18R and 14H in Mg–Y–Zn alloys[J]. Acta Materialia, 2012, 60(19): 6562-6572.

[4] Wang D, Wu H, Wu R, et al. The transformation of LPSO type in Mg-4Y-2Er-2Zn-0.6 Zr and its response to the mechanical properties and damping capacities[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2020, 8(3): 793-798.

審核編輯：黃飛