基于第一性原理的5083铝合金第二相理化性质研究

为揭示5083合金第二相对合金性能影响机理，本文采用相图计算的方式，研究了5083合金中潜在的第二相种类及数量，并在此基础上，通过量子力学计算的方法，系统探究了合金中潜在各相的弹性常数以及与α-Al基体间费米能差值等理化性质。研究结果表明合金中潜在第二相主要有β-Al3Mg2、Al6Mn、T-AlCuMgZn、E-AlCrMgMn、Mg2Si、Al3M_Do22及Al3Fe，其体模量从大到小排布顺序为Al3Ti、Al6Mn、Al3Fe、E-AlCrMgMn、T-AlCuMgZn、Mg2Si及β-Al3Mg2，剪切模量亦类同，除Mg2Si与β-Al3Mg2互换位置。合金中与α-Al基体腐蚀电位差异大小排布顺序为Mg2Si、Al3Fe、Al6Mn、T-AlCuMgZn、E-AlCrMgMn、β-Al3Mg2以及Al3Ti，各相与α-Al基体间形成微腐蚀电池能力依次减弱。

5083 合金属于Al-Mg 系合金，具有轻质、易成形、抗腐蚀等特性而被广泛应用于造船、集装箱以及新能源汽车等领域[1] [2]。与Al-Cu、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg-Cu 等通过热处理析出强化不同，5083 合金其生产过程不需进行固溶、淬火、时效等工序，其主要通过固溶强化和形变强化[3] [4]。然而，研究表明：5083 合金中除β 相对耐蚀性能具有重要影响外，其它各相同样左右材料的微观组织，进而影响合金服役性质[5] [6]。

如Mn 在铝基体中的极限固溶度为1.8%， Al-Mg 合金中Mn 含量通常低于1%， 主要以MnAl6形式存在，对合金再结晶起抑制作用，同时能以(FeMn)Al6、Al12(FeMn)3Si 等化合物形式溶解Fe、Si 杂质，降低Fe、Si 对材料性能的不利影响，但Mn 含量的提高会降低材料塑性[7] [8]。Cr 一般以Al12Mg2Cr形式分布于合金中，可抑制合金再结晶晶粒长大，并提高材料耐蚀性能，但Cr 元素易与部分杂质元素形成粗大化合物[9]。Ti 元素在铸造过程中常以细化剂的方式加入，可细化铸锭晶粒尺寸[10]。Al-Mg 合金中的Fe、Si 元素通常为有害杂质，对抗腐蚀性能、焊接性能等有特殊要求的材料，需严格控制Fe、Si含量[11] [12]等。

为进一步提升5083 合金耐蚀能力与力学性质，部分学者采用合金成分优化设计、加工工艺调整以及热处理的方式，研究了合金第二相与微观组织对合金服役性能影响规律，为合金高性能5083 合金生产提供了良好的理论支撑与技术方案[13] [14]。苏天等人通过研究5083 合金成分变化对材料耐蚀性能的影响表明，Mn、Si 以及Fe 元素的变化，会在合金中相应生成不同含量的Al6Mn、Mg2Si 以及Al3Fe 等，各个相含量的变化，会导致合金耐蚀能力出现差异[15]。涂杨帆对5083 铝合金在不同模拟海水介质中的腐蚀行为的研究发现，Al (Fe, Mn)复合相会在服饰过程中大量脱落，使得合金的点蚀速率加快[16]。覃秋慧等人的研究显示，合金中β 相的含量以及分布均会影响合金的耐腐蚀性能，且合金中随着第二相数量的增