镁合金中扩散系数及其相关应用的综述报告

本文由Hui Shi、Yuanding Huang、Qun Luo、Sarkis Gavras、Regine Willumeit-Römer、Norbert Hort等学者合作完成，发表于2022年的Journal of Magnesium and Alloys。该综述聚焦于镁（Mg）合金中扩散系数的研究进展及其在材料设计、性能优化中的应用，旨在为镁合金的微观结构调控与力学性能预测提供理论依据。

研究背景与意义

镁合金因其轻质、高比强度及良好的铸造性能，在汽车、航空航天和3C产业中备受关注。然而，其较差的耐腐蚀性、低蠕变抗力和室温塑性限制了实际应用。通过合金化与热处理调控微观结构是改善镁合金性能的主要手段，而扩散行为（diffusion behavior）是影响微观结构演变的关键动力学因素。扩散系数（diffusion coefficients）可量化描述原子迁移速率，包括自扩散系数（self-diffusion coefficients）、杂质扩散系数（impurity diffusion coefficients）和互扩散系数（inter-diffusion coefficients）。然而，现有扩散数据多集中于二元镁合金，三元及以上体系的扩散数据库仍不完善，制约了多组分镁合金的相变模拟与性能预测。

主要研究内容与观点

1. 扩散系数的实验与计算方法

实验方法：
- 放射性示踪法（tracer method）：早期用于测量自扩散与杂质扩散系数，但成本高且同位素获取困难。
- 扩散偶法（diffusion couple）：分为固-固扩散偶（solid-solid）与液-固扩散偶（liquid-solid），后者由Zhao等首次提出，可避免高温氧化问题。
- 成分分析技术：如二次离子质谱（SIMS）和辉光放电光谱（GD-OES），用于提取扩散浓度分布。
- 数据提取算法：包括Boltzmann-Matano分析、Sauer-Freise方程和Hall方法，其中Hall方法在低浓度区更准确；Zhang等开发的数值逆向法（FSA）通过Matlab代码直接拟合扩散曲线，提高了计算效率。

计算方法：
- 第一性原理计算（DFT）：通过Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）模拟空位浓度、跳跃频率等参数，预测未实验体系的扩散系数。例如，采用准谐德拜模型（quasi-harmonic Debye model）计算激活能，并通过Arrenius方程拟合温度依赖性。

2. 镁合金中的扩散系数数据

• 自扩散系数：HCP（六方密排）镁的自扩散呈现各向异性，沿基面（basal plane）与c轴的扩散速率不同。DFT计算结果与实验数据在高温区偏差源于双空位（di-vacancy）效应未被纳入模型。
  
• 杂质扩散系数：稀土元素（如Y、Sc）在镁中的扩散速率低于镁自扩散，而轻稀土（如La、Ce）扩散较快。Al、Zn等常见元素的扩散数据通过扩散偶法验证，但部分结果（如Al的SIMS数据）因表面粗糙度误差需剔除。
  
• 互扩散系数：Mg-Al与Mg-Zn体系的互扩散系数随溶质浓度增加而升高，Mg-Zn的扩散速率比Mg-Al高一个数量级。
  

3. 扩散系数的应用

• 原子迁移率数据库（atomic mobility database）：基于CALPHAD（Calculation of Phase Diagrams）技术，结合热力学数据库与扩散系数，建立二元及三元（如Mg-Al-Zn、Mg-Al-Sn）体系的原子迁移率模型，但高组元体系仍缺乏数据。
  
• 析出相模拟：通过KWN（Kampmann-Wagner Numerical）模型预测析出相（如γ-Mg₁₇Al₁₂）的体积分数、尺寸分布，与实验结果吻合良好（如AZ91合金的析出动力学）。
  
• 力学性能预测：基于析出强化（precipitation strengthening）与固溶强化（solid solution strengthening）模型，量化屈服强度与硬度。例如，Zhang等通过TC-Prisma软件准确预测了Mg-Al合金的时效硬化行为。
  
• 蠕变行为分析：高温（>0.5Tm）下，镁合金的蠕变激活能与自扩散激活能接近，表明蠕变受原子扩散控制；而低温高应力条件下，位错管扩散（pipe diffusion）为主导机制。
  

研究价值与亮点

1. 系统性综述：整合了70余种元素在镁中的扩散数据，为材料设计提供全面参考。
   
2. 方法创新：提出液-固扩散偶与FSA数值逆向法，解决了传统实验的局限性。
   
3. 跨尺度关联：从原子扩散（微观）到力学性能（宏观），建立了完整的理论框架。
   
4. 应用导向：扩散数据库直接支撑了镁合金的成分优化与工艺开发，例如高蠕变抗力合金的设计。
   

未来展望

作者指出，当前三元及以上镁合金的扩散数据仍不足，需结合高通量实验与计算加速数据库构建。此外，原子尺度机理（如溶质-空位相互作用）与力学性能的关联需进一步实验验证。

该综述为镁合金的扩散研究与工程应用提供了重要指导，推动了高性能镁合金的开发进程。