鈦合金因其卓越的效能，如高比強度、優異的低溫效能和抗腐蝕效能，廣泛應用於航空航天和海洋船舶等領域。鈦合金的這些優良特性與其內部微觀組織結構密不可分，關於鈦合金組織形成的深入認識是基於知識調控材料組織和效能的科學基礎。然而，形成鈦合金典型α/β組織的相變機制仍不太清楚，澄清α/β間各種取向相介面的結構及這些介面遷移方式是揭示組織形成微觀過程的關鍵。
清華大學材料學院的研究團隊近期透過透射電鏡表徵、相變晶體學理論模型及分子動力學模擬相結合的方法，系統研究了鈦合金α/β相體系中析出相的三維介面位錯結構[1,2]與可能的介面遷移模式[1,3,4]。與本團隊早期β中α析出相的結果類似，α中β析出相的慣習面和側面也包含平行於析出相長軸的介面位錯線，而端面則由複雜的位錯網路構成，這些位錯網路由四組不同柏氏向量位錯段組成。在力學約束較少的情況下，相介面可以透過熱啟用的遷移-切變耦合模式進行運動，實驗中觀察到的表面α析出相便是由該模式形成，相變晶體學理論計算結果與實驗結果一致[3]。此外，研究團隊透過原位透射電鏡觀察到基體內部的析出相刻面，透過奈米尺度臺階生長的機制；並基於晶體學模型推測了在力學約束較大時，透過臺階機制遷移的介面位錯運動過程[1]。
該系列研究較新成果於近年發表於《Acta Materialia》[1,3,4]和《Journal of Materials Science & Technology》[2]。其中，最新的工作以“Structures and migrations of interfaces between β precipitates and α′ matrix in a Ti-2.6 wt% Mo alloy”為題，於近期發表於《Acta Materialia》[1]。該研究的第一作者為清華大學的張金宇博士（現於大阪大學從事博士後研究），通訊作者為清華大學張文徵教授。
圖1. Ti-2.6wt%Mo合金中β析出相的明場 像
圖2. Ti-2.6wt%Mo合金中β析出相慣習面沿著<111>β|<1120>α方向觀察的原子結構，包含兩種 /2 型位錯
圖3. 廣義O單元方法[5]和分子動力學模擬給出的慣習面上的位錯結構
圖4. 原位透射電鏡下觀察到β析出相收縮過程中側面上生長臺階的橫向遷移、合併和消失
圖5. 廣義O單元[5]方法給出的可能的奈米尺寸生長臺階及其位錯結構
在該研究中，我們系統研究了Ti-2.6 wt% Mo合金中β析出相的三個典型介面的結構和遷移模式，包含了慣習面、側面和端面。我們透過透射電鏡、分子動力學模擬以及廣義O單元計算方法的協同分析，揭示了β析出相慣習面、側面和端面上覆雜的位錯和原子結構。與α析出相慣習面上通常觀察到的單組位錯不同，我們在β析出相的慣習面上發現了兩組 /2 型位錯。β析出相和α析出相慣習面位錯的差異可能來源於不同基體相中可用位錯的差異。β析出相的側面和端面則表現出與α析出相類似的位錯結構，尤其是側面包含一組小間距位錯和一組大間距位錯，而端面則顯示出由小間距位錯和大間距位錯網路組成的複雜結構。我們透過廣義O單元方法和深度神經網路勢的分子動力學計算，確定了β析出相三維介面結構的完整圖景。理論計算結果與透射電鏡觀察到的介面結構一致。
進一步地，透過原位透射電鏡實驗，我們發現β析出相的慣習面和側面的遷移是透過奈米尺度的臺階生長機制來實現的。透過廣義O單元方法進一步分析生長臺階上的位錯結構，推測了生長臺階橫向運動時位錯發生的非保守運動的機制。這一發現為鈦合金中相變過程中微觀結構演變提供了更深入的理解，併為未來鈦合金析出過程的原子級和介觀模擬奠定了基礎。
[1] J.-Y. Zhang, Y.-S. Zhang, F. Mompiou, W.-Z. Zhang, Structures and migrations of interfaces between β precipitates and α′ matrix in a Ti-2.6 wt% Mo alloy, Acta Materialia 281 (2024) 120429.
[2] J.-Y. Zhang, F.-Z. Dai, Z.-P. Sun, W.-Z. Zhang, Structures and energetics of semicoherent interfaces of precipitates in hcp/bcc systems: A molecular dynamics study, Journal of Materials Science & Technology 67 (2021) 50-60.
[3] J.-Y. Zhang, Z.-P. Sun, D. Qiu, F.-Z. Dai, Y.-S. Zhang, D. Xu, W.-Z. Zhang, Dislocation-mediated migration of the α/β interfaces in titanium, Acta Materialia 261 (2023) 119364.
[4] J.-Y. Zhang, Z.-P. Sun, Y.-S. Zhang, W.-Z. Zhang, Interface dislocation trajectory and long-range strain associated with the migration of semicoherent interfaces, Acta Materialia 277 (2024) 120167.
[5] J.-Y. Zhang, Y. Gao, Y. Wang, W.-Z. Zhang, A generalized O-element approach for analyzing interface structures, Acta Materialia 165 (2019) 508-519.
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。感謝論文作者團隊支援。
