Al-Mg-Si系合金におけるナノクラスタの形成に対する溶質原子と空孔の局所的結合の影響

Effects of local bonding between solute atoms and vacancy on formation of nanoclusters in Al-Mg-Si alloys

栗原 健輔*; Lobzenko, I.   ; 都留 智仁   ; 芹澤 愛*

Kurihara, Kensuke*; Lobzenko, I.; Tsuru, Tomohito; Serizawa, Ai*

Al-Mg-Si合金で形成されたナノクラスターは、形成温度に応じて合金の時効挙動に影響を与える。本研究では、第一原理計算を用いて、Mg, Si原子、およびAlマトリックス中の空孔間の2体および3体相互作用を評価し、ナノクラスターの形成に対する局所結合構造の影響を評価した。まず、モンテカルロシミュレーションを行い、Al-Mg-Si合金で形成されたナノクラスターの安定した構造を評価した。Alマトリックス中ではMg-Si結合とSi-Vac結合が安定していることが確認された。その結果、Al中の溶質原子は異種元素が凝集しやすく、Si原子は空孔と強い引力相互作用を持っていることがわかった。また、Al中のMg-Si空孔三体結合は、Mg-Si二体結合およびSi空孔二体結合よりも安定であることがわかった。したがって、MgとSi原子からなる安定した局所結合により、空孔はクラスター領域内に強くトラップされると考えられる。これは、Alマトリックス内のナノクラスターが溶質原子と空孔の間の安定した結合によって熱的に安定化されることを示している。これらの結果は、ナノクラスターの内部結合が、熱安定性だけでなく、低温での時効中のナノクラスターの形成と成長挙動にも重要な役割を果たすことを示唆している。

Nanoclusters formed in Al-Mg-Si alloys affect the aging behavior of the alloys depending on the formation temperature. In the present study, first-principles calculations were carried out to evaluate the two- and three-body interactions between Mg, Si atoms and vacancies in the Al matrix and to estimate the effect of local bond structures on the formation of nanoclusters. Monte Carlo simulations were subsequently performed to investigate the stable structure of nanocluster formed in Al-Mg-Si alloy. We found that Mg-Si bond and Si-Vac bond were stable in Al matrix. The result showed that the solute atoms are easy to aggregate with another type of atoms and that Si atom had a strong attractive interaction with a vacancy. Mg-Si-vacancy three-body bond were more stable than Mg-Si two-body bond and Si-vacancy two-body bond in Al matrix. Therefore, vacancies were strongly trapped within the cluster region due to the stable local bonds composed of Mg and Si atoms which indicates that the nanoclusters in Al matrix were thermally stabilized by the stable bonds between solute atoms and vacancy. In addition, these results suggested that inner bonds of nanocluster played a significant role in not only the thermal stability but also the formation and growth behavior of nanoclusters during aging at low temperatures.