如何分析长周期有序堆垛结构(LPSO)

 

LPSO(长周期有序堆垛结构)

按一定比例将纯镁与稀土元素混合，并在合金中添加微合金元素（Zn、Al 等），按一定热处理工艺制备出的合金中含有一种长周期有序堆垛结构。

该结构可以阻碍位错运动，抑制基面滑移的产生，从而提高镁合金的强度。

01

LPSO类型

根据 LPSO 相原子排布顺序的不同:

可将其分为 6H、10H、14H、18R 和 24R，其中 H 表示六方点阵，R 表示菱方点阵。

18R-LPSO 相主要存在于铸态镁稀土合金中，普遍认可其化学式为 Mg10YZn 或Mg29Y4Zn3 相，原子堆垛顺序为 ACACBABABACBCBCBACA，在沿 c 轴方向的 Y、Zn 层循环结构中存在 2 个Mg 原子层将其分隔，

晶胞参数:

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

14H 结构最早于2003 年由 Amiya 发现，其化学式被普遍认为是 Mg12YZn 或Mg35Y4Zn3 相,其堆垛顺序为ABABCACACACBABA,在Y、Zn 循环结构中层状循环结构中存在 3 个 Mg 原子层将其分隔，晶胞参数(a=1.112 nm,c=3.64 nm)

18R-LPSO 可在凝固过程中直接析出，14H-LPSO 通常在热处理或热变形加工过程中由 18R-LPSO 转变或直接由合金中的 RE、TM 原子扩散至 α-Mg 晶粒内生成。

图1 Mg-Zn-Y LPSO 结构模型。

蓝色和红色圆圈分别代表镁和 Zn/Y 占位点。

图2.  (a) hcp-Mg 和 (b) 10H 、(c) 18R 、(d) 14H 和 (e) 24R LPSO的 SAED 图和 STEM-haadf 图像。SAED图晶带轴均为[11-20]

表1 各类型LPSO原子堆垛顺序

因堆垛顺序不同，不同 LPSO 相的制备难度，表征难度也大不相同，目前研究最多的是 14H 与 18R  LPSO 相。 

02

透射电镜下的14H、18R

选区电子衍射(SAED)

在 SAED 图中，

若(0 0 0 2)α 衍射斑（α 代表镁基体）的 n/6、n/7 位置（n 为整数）出现了额外的斑点，则证明存在18R 、14H的LPSO 结构

图3 18R LPSO电子衍射

SAED证明18R的方法：

由图3可知，

在（0000）Mg与（0002）Mg之间会存在5个衍射斑点

图4 18R LPSO电子衍射

SAED证明14H的方法：

由图4可知，

在（0000）Mg与（0002）Mg之间会存在6个衍射斑点，但大多数情况下会出现13个衍射斑点。

高分辨(HRTEM)

在 HRTEM 图中，

14H 的LPSO：

其均匀分布的晶格条纹间距约为 1.8 nm；

18R 的LPSO：

其均匀分布的晶格条纹间距约为 1.6 nm。

图5 2H(Mg转化为14H LPSO原子示意图

图6  2H(Mg转化为18R LPSO原子示意图

图7 14H与18R LPSO 高分辨图

HRTEM证明14H与18R：

测量HRTEM图晶格条纹距离，

14H的晶格条纹之间约为1.8nm，

18R的晶格条纹之间约为1.6nm。

球差高分辨(STEM-HAADF)

由于STEM-HAADF图可以观察到原子分布，所以通过原子堆垛顺序来判定14H与18R。

14H:  

ABABCACACACBABA

18R:

ACACBABABACBCBCBACA

图8 14H与18R LPSO STEM-HAADF图

STEM-HAADF证明

14H与18R：

由图8b可知，有5个亮区域的堆垛顺序,其中1个与其余4个相反，大多数相邻区域中间隔着3个原子层的距离。

由原子堆垛顺序可知，

14H：

ABCA、ACBA之间隔着3层原子；

18R：

ACBA、BACB、CBAC之间均隔着2层原子。

参考文献：

[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.

审核编辑：黄飞