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

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

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、モンテカルロ計算を行い、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 estimate the effect of local bonding on the formation of nanoclusters. Monte Carlo simulations were subsequently performed to investigate the stable structure of the nanocluster formed in Al-0.95 mass pct Mg-0.81 mass pct Si alloy. We found that the Mg-Si and Si-Vac pairs are stable in the Al matrix. The result shows that the solute atoms easily aggregate with different types of solute atoms and that the Si atom has a strong attractive interaction with a vacancy. Furthermore, Mg-Si-vacancy three-body clusters is more stable than Mg-Si and Si-vacancy pairs in the Al matrix. The nanoclusters in the Al matrix were thermally stabilized by the stable configurations between solute atoms and vacancy. Thus, the electronic structure calculations suggested that the local bondings within a nanocluster play a significant role in not only the thermal stability but also the formation and growth behavior of nanoclusters during aging at low temperatures.